Следует отметить, что до настоящего времени в современной геологии не было серьёзных попыток решать проблему генерации тепловой энергии, и её передачи в Земле. Обычно исследования ограничивались измерениями тепловых потоков, которые проводились, начиная с 50х годов прошлого века. Было установлено, что есть тепловые потоки региональные и аномальные (повышенные).

Эквивалентные региональные потоки были измерены на континентах и океанах, аномальные тепловые потоки были характерны для небольших зон, которые характеризовались современной гидротермальной, вулканической и сейсмотектонической активностью. Стало очевидно, что на региональные тепловые потоки обусловлены кондуктивной (молекулярной) передачей тепла, которая осуществляется за счёт колебательных движений молекулярных частиц. Механизм передачи тепла аномальных тепловых потоков связан с переносом масс теплоносителей (конвективная передача тепла), находящихся в соответствующем физико-химическом состоянии (жидком, газообразном, плазменном).

Современная глобальная геотектоническая концепция мобилизма, в основе реализации геологических процессов которой заложена необходимость источника энергии, предполагает участие в их реализации механическую энергию. Считается, что механическая энергия генерируется в результате преобразования тепловой энергии силикатный расплавов, которые исполняет роль рабочего тела. Оно производит механическую работу, расталкивая ранее образованные геологические тела в зонах спрединга, или погружая их в неглубокие недра Земли в зонах субдукции. Таким образом, приводятся в движение конвективные системы в литосфере и земной коре. Однако, здесь вновь возникает вопрос об источнике тепловой энергии.

Традиционно, почти без сомнений, принимается, что расплав образуется в результате вскрытия разломами высокотемпературных зон, нагретых региональным тепловым потоком. Происходит плавление пород без притока тепловой энергии, необходимой для скрытой теплоты плавления (для базальтовых пород ~50 кал/г), за счёт понижения давления (декомпрессии). В связи с этим предполагается, что температура в зоне генерации должна быть примерно на 150-200°С выше температуры их плавления. При этом не обсуждаются условия проницаемости, как восходящих магматических потоков, так и нисходящих потоков поверхностных вод в глубокие земной коры и, тем более, верхней мантии, которые должны сопровождаться сложными химического взаимодействия вода-порода, расплав-порода и процессами теплообменного баланса.

В последние годы, в связи с извлечением геотермального тепла для энергетических целей, были проведены исследования и получены вполне конкретные данные об аномальных тепловых потоках в областях активного или молодого вулканизма. Они характеризовались значениями на два (иногда более) порядка превосходящие значения региональных тепловых потоков. В связи с этим, возникла проблема их генезиса. Необходимо было решить или проблему концентрирования региональных тепловых потоков до значений аномальных тепловых потоков, или образование локальных источников тепла, обладающих соответствующей мощностью. Формирование аномальных тепловых потоков за счёт сбора тепла, вероятно, не возможно, так как в ином случае вокруг таких регионов должны существовать провинции с аномальными низкими тепловыми потоками. В реальности таких потоков не наблюдается. Образование локальных источников тепла, генерирующих аномальные тепловые потоки необходимо подкреплять вполне конкретными исследованиями геологических структур, оценками дренируемых ими количеств тепла и процессами, генерирующими его. Такая работа была выполнена Хохштейном М. (Hochstein, 1995). Оказалось, что количество тепловой энергии в исследованных геотермальных провинциях нельзя объяснить источниками, обсуждаемыми в геотектонической концепции мобилизма.

Изучение современных геологических процессов в вулканических областях, характеризующихся активными сейсмотектоническими процессам и аномальными тепловыми потоками, позволили выделить гидротермально-магматические конвективные системы, которые дренируют геотермальную энергию из зон её генерации на земную поверхность, далее в атмосферу и в космическое пространство в режиме самоорганизации. Наиболее активный интервал действия гидротермально-магматических систем охватывает зону взаимодействия литосфера, земная кора, гидросфера, атмосфера и контролируется температурным напором ~1400-1500K.

Ведущим процессом транспортирования геотермальной (тепло Земли) энергии во всех сферах Земли является тепломассоперенос, обусловленный гравитационным взаимодействием между разнородными теплоносителями, находящимися, в основном, в жидком и газообразном состоянии. Преобладающими из них могут быть газообразные (летучие) соединения и наиболее распространённые щелочные металлы (Na и K). Состав газообразных соединений (H₂О, CО₂, SО₂, H₂S, H₂, HCl и т.д.) свидетельствует, что в гидротермально-магматической системе происходит не только транзит тепла, но и его генерация на разных уровнях в результате окислительно-восстановительных экзотермических реакций (горение). Большое количество тепла способствует самовозгоранию, ранее образованных минеральных агрегатов (чёрных сланцев). Протекание химических реакций в условиях прогрессивного самоускорения, связано с накоплением в системе тепла или катализирующих продуктов реакции (Франк-Каменецкий, 1967). Таким образом, можно считать источником геотермальной энергии являются гидротермально-магматические конвективные системы, которые представляют собой химические реакторы, в которых происходит взаимодействие реагенты, поставляемые в результате кругооборота мобильных соединений в литосфере, земной коре, гидросфере атмосфере. Главными из них являются такие окислители (акцепторы), как сера и кислород. Существенную роль в процессах кругооборота соединений и элементов играет проницаемость земной коры и верхней мантии. В гидротермально-магматических системах доминируют два теплоносителя: вода и силикатный расплав. Миграция воды происходит, в основном, по трещинам и разломам. Эти структуры неоднородны, в связи с чем, наиболее проницаемыми местами разломов являются их изгибы, для которых характерен режим растяжения и присутствие открытых трещин высоких порядков. Глубинные разломы по многим данным простираются вплоть до верхней мантии, хотя есть мнение, что они в глубоких недрах полностью закрыты в результате литостатической нагрузки на глубинах более 3 км. Однако, существуют данные, что поверхностные воды могут достигать 10 и более километров. Так, например, на Кольской сверхглубокой скважине, глубина которой 12 км, присутствовали термальные воды. В подводно-океанических гидротермально-магматических системах предполагается конвекция морской воды до глубины 10 км. Об этом свидетельствуют комплексы высокотемпературных минералов гидротермального и пневматолитового происхождения, в настоящее время обнаженные в древних вулканогенных толщах. Противоречие обусловлено со слабой изученностью этой проблемы. В какой-то степени её решению может помочь изучение условий внедрения базальтовых расплавов, участвующих в переносе тепла из верхней мантии через земную кору на земную поверхность. Предполагается, что этот мобильный расплав обладает свойствами, способствующего скоростной прокачке по принципу теплового насоса аномальных количеств тепла летучим теплоносителем с высокими теплосодержаниями (энтальпиями). Возможно, сквозьмагматические летучие компоненты обладают свойствами низкотемпературной плазмы, которая опережает самоорганизующуюся плоскую магматическую колонну.

Гигантские излияния базальтовых магм на древних платформах, океанизация земной коры в регионах генерации континентальных рифтов и сейсмические неоднородности в средней мантии под Гавайями и Исландией наводят на мысль о существовании источника геотермальной энергии иного типа, связанного с ядром Земли. Из истории развития платформ известно, что в архее-протерозое древние платформы проходили этап аналогичный современным срединно-океаническим хребтам (данные, полученные на Кольской сверхглубокой скважине). Спустя огромный период времени, например на Сибирской платформе (временной и структурный аналог Русской платформы), произошли в фанерозое излияния огромных масс базальтовой магмы. Предполагать, что источником тепла были окислительно-восстановительные реакции, описанные выше, по-видимому, трудно, так как базальтовый вулканизм, аналогичный современному вулканизму в океанах и зонах перехода, прекратил деятельность. Логически не противоречивым является идея об аккумуляции тепловой энергии под континентальной мощной корой, которая расплавила значительную часть мантии под Сибирской платформой. Эта магматическая система, обладая избыточной энергией, сформировала транзитную магматическую систему, по которой произошло перекачивание тепла на поверхность платформы. Масштаб проявлений геотермального тепла на платформах в форме океанизации земной коры, в частности в архее-протерозое в Африке, Австралии и Сибирской платформе с образованием рифтовых систем и образованием гигантских железорудных и марганцевых месторождений типа железистых кварцитов также позволяет предполагать их большую мощность (Pirajno, 2009). Предполагается, что такой источник тепла находится в ядре Земли, и он действует под влиянием космических процессов. Один из многих может быть обусловлен с воздействием электромагнитного излучения Солнца на магнитное поле Земли, что влияет на изменение её скорости вращения вокруг собственной оси, в результате чего в ядре могут возникать магнитотеллурические токи, аналогичные промышленным генераторам электричества или электромоторов. Такие процессы приводят к образованию тепла, избыток которого должен рассеиваться в мантии. В процессе эволюции тепловой структуры Земли, которая контролируется процессами гравитации, обусловившими квазистационарный тепловой режим планеты, могла самопроизвольно образоваться система струй (пламингов), по которым происходила и происходит разгрузка «избыточного» тепла. Для такого предположения основанием могут служить данные, полученные на Гавайях и Исландии, об увеличении скорости сейсмических волн, которое интерпретируется, как трансформация минералогических фаз в зависимости от изменения температуры в районах апвеллингов (Shen et al., 2003).

В итоге следует отметить, что в Земле имеется несколько источников генерации тепла. В первую очередь основное количество тепла продуцируется в процессе гравитационной дифференциации, контролируемой всемирным тяготением. Аномальные тепловые потоки, связанные с образованием магм, гидротермальной деятельностью, формируются в гидротермально-магматических конвективных системах под воздействием экзотермических окислительно-восстановительных реакций, обусловленных кругооборотом легкоподвижных окислителей в литосфере, земной коре, гидросфере и атмосфере (сфера геопроцессов). С этими источниками координируется космогенный глубинный, расположенный в ядре Земли, который структурно связан с планетарным гравитационно-дифференционным источником и исполняет роль запала геосферных источников тепла.

Другие источники тепла играют вспомогательную роль в особых структурах. Таковым является распад радиоактивных элементов в провинциях с широким развитием кислых пород.

Геотектоника и тепловые потоки. Владимир Белоусов, Эдуард Эрлих, Юрий Кузьмин.

Белоусов В.И. ТЕПЛО ЗЕМЛИ.

БЕЛОУСОВ В.И. и БЕЛОУСОВА И.В. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ГИДРОТЕРМАЛЬНО-МАГМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ