Энн М. Хофмайстер, доктор философии, профессор-исследователь наук о Земле и планетах факультета искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, по-новому взглянув на старую технику, произвела революцию в понимании ученых. переноса тепла в земной коре, внешней твердой оболочке нашей планеты.
Температура является важной движущей силой многих геологических процессов, в том числе образования магмы (расплавленных горных пород) в самых глубоких частях земной коры , на глубине от 30 до 40 километров под поверхностью. Тем не менее, до недавнего времени температуры глубоко внутри земной коры были неопределенными, в основном из-за трудностей, связанных с измерением теплопроводности или количества тепла, проходящего через породы, слагающие земную кору.
В традиционных методах измерения теплопроводности ошибки измерения возникают, когда температура породы приближается к точке ее плавления. При таких высоких температурах тепло переносится от атома к атому не только колебаниями, но и излучением (светом). Поскольку традиционные методы не могут отделить тепловой поток, переносимый вибрациями, от теплового потока, связанного с излучением, большинство измерений того, насколько эффективно горные породы переносят тепло при высоких температурах, были завышены. Из-за этой экспериментальной неопределенности ученые предположили, что проводимость горных пород постоянна по всей земной коре, чтобы продвинуться вперед в моделях, описывающих геологическое поведение Земли.
Лазерный импульсный анализ
Используя промышленный лазер, который обычно используется для лазерной сварки стали, Хофмайстер смог обойти проблемы, которые преследовали старые методы. Ее объект в WUSTL является первым в мире, где используется такой лазер для геолого-геофизических исследований.
Ее метод, лазерный импульсный анализ, дает гораздо более точные данные о переносе тепла через горные породы, чем обычные методы. При анализе методом лазерной вспышки образец горной породы выдерживается при заданной температуре, а затем подвергается воздействию лазерного импульса тепла, что позволяет Хофмайстеру измерить время, необходимое для прохождения тепла от одного конца образца к другому. Это измерение температуропроводности, или скорости прохождения тепла через вещество, является еще одним способом описания теплопроводности породы. Поскольку измерение переноса тепла в самой коре невозможно, Хофмайстер использовал лазер для измерения переноса тепла в отдельных образцах горных пород при различных температурах, а затем усреднил значения по образцам, чтобы представить динамику коры. В сотрудничестве с исследователями из Университета Миссури — Колумбия,
Результаты, опубликованные в журнале Nature 19 марта 2009 г., показывают, что проводимость горных пород не постоянна, как предполагалось ранее, а сильно зависит от температуры. Хофмайстер объясняет: «Наш анализ показывает, что породы более эффективно проводят тепло при низких температурах, чем считалось ранее, и менее эффективно проводят тепло при высоких температурах. Процесс перемещения тепла действительно зависит от температуры горных пород».
Хофмайстер и ее сотрудники обнаружили, что проводимость горных пород в нижней части земной коры, где внешняя температура очень высока, намного ниже — на целых 50 процентов — чем предсказывалось обычными методами. Эти результаты также предполагают, что нижняя часть земной коры может быть намного горячее, чем считали ученые ранее. Поскольку горные породы становятся лучшими изоляторами и худшими проводниками при высоких температурах, нижняя кора действует как одеяло поверх теплогенерирующей мантии, слоя, лежащего под корой.
Магматическая машина
Наблюдение, что нижняя кора является хорошим теплоизолятором, имеет большое значение для понимания учеными фундаментальных геологических процессов, таких как образование магмы.
Хофмайстер объясняет: «Новые методы меняют наше понимание того, как тепло передается в геологической среде. Это относится к тому, где вы находите магму, где вы готовите метаморфическую породу и где на океанских хребтах образуется лава».
Она и ее коллеги использовали новые данные, зависящие от температуры, для создания компьютерных моделей, которые предсказывают последствия захоронения и нагрева горных пород во время формирования горного пояса, как это происходит в современных Гималаях. В то время как предыдущие модели полагались на экстраординарные процессы, такие как высокие уровни радиоактивности, для объяснения плавления земной коры в Гималаях, работа Хофмайстер и ее сотрудников предполагает, что термических свойств самих пород может быть достаточно для образования магмы.
В частности, они обнаружили, что деформационное нагревание или трение, вызванное образованием горного пояса, может вызвать плавление земной коры. Поскольку нижняя кора является таким хорошим теплоизолятором, деформационный нагрев происходит намного быстрее, эффективнее и более самовоспроизводящийся, чем считалось ранее.
«Расплав лучше изолирует, чем горная порода, — объясняет Хофмайстер. — Как только горные породы плавятся, температуропроводность падает, что затрудняет охлаждение горных пород. Они дольше остаются горячими, и существует вероятность дальнейшего таяния».
По словам Хофмайстера, описанная в исследовании ситуация в Гималаях, вероятно, не уникальна. Поскольку перенос тепла является такой важной движущей силой, многие модели геологического поведения Земли необходимо будет пересмотреть в свете выводов Хофмайстер и ее сотрудников.
Эти успехи значительно приближают Хофмайстер к достижению того, что она называет целью своей карьеры на протяжении всей жизни. «Целью большей части моей карьеры было определение температуры внутри земли . Это зависимость от времени, сколько времени требуется теплу, чтобы пройти через камни, что скажет нам, насколько горячо недра», — говорит она.
По словам Хофмайстера, понимание температуры недр Земли — это первый шаг к пониманию тепловой эволюции Земли.
