Геотерми́я (геотермика; от гео... и θέρμη – тепло, жар), раздел физики Земли, изучающий процессы тепломассопереноса в недрах Земли и её тепловую историю. Задачи геотермии – определение величин теплового потока, поступающего из недр Земли к поверхности; измерение геотермического градиента и теплопроводности горных пород; изучение механизмов переноса тепла в условиях высоких температур и давлений; определение распределения температуры земных недр и глубинных источников тепла; моделирование теплового режима земной коры и литосферы и его связи с тектоническими процессами, магматизмом и метаморфизмом; исследование флюидного тепломассопереноса в гидротермальных системах.

История становления геотермии

Тепловое поле Земли в форме проявлений геотермальной активности первым из геофизических полей привлекло внимание человека и стало предметом научных исследований. Плиний Младший впервые описал извержение вулкана Везувий в 79 г. н. э. Количественные методы геотермии появились в начале 17 в. после изобретения Г. Галилеем термометра. Первые измерения температуры в шахтах и рудниках показали, что температура Земли растёт с глубиной. Этот факт послужил основой космогонической теории об остывании Земли из первоначально расплавленного состояния (У. Томсон, 1864). Полученная из решения уравнения теплопроводности оценка возраста Земли (несколько десятков миллионов лет) не соответствовала геологическим данным о возрасте пород. Противоречия гипотезы остывания Земли были устранены после открытия явления радиоактивности (А. А. Беккерель, 1895) и эффекта выделения теплоты при распаде радия (П. Кюри и А. Лаборд, 1903). В 1906 г. Дж. У. Рэлей экспериментально установил наличие радиоактивных элементов во всех исследованных им горных породах. Он показал, что выделяемое радиогенное тепло должно сильно влиять на тепловую историю Земли в силу большого периода полураспада радиоактивных изотопов урана ($^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$) и тория ($^{232}\text{Th}$), сравнимого с возрастом Земли. В 1915–1940 гг. роль радиогенного тепла в истории Земли исследовали А. Холмс, впервые отметивший роль изотопа калия $^{40}\text{K}$ в тепловом балансе земной коры, В. Г. Хлопин, изучавший миграцию радиоактивных элементов в земной коре, и др.

Количественные оценки влияния распределения радиоактивных изотопов урана ($^{238}\text{U}$, $^{235}\text{U}$), тория ($^{232}\text{Th}$) и калия ($^{40}\text{K}$) на тепловую эволюцию Земли и величину теплового потока в поверхностном слое получены А. Н. Тихоновым в 1937 г. Впоследствии было установлено влияние на тепловую историю Земли сложнейших процессов теплопереноса и теплообмена, существовавших на стадии формирования планеты; гравитационной дифференциации вещества, приводящей к образованию металлического ядра; энергии, выделившейся при ударах крупных тел о поверхность планеты на завершающей стадии её формирования.

Становление геотермии в качестве самостоятельного научного направления относится к середине 1960-х гг. В районах со сложным геологическим строением проводились систематические определения теплового потока [в геотермии термин «тепловой поток» используют для обозначения плотности теплового потока (тепловой поток с единицы площади поверхности)]. Первые данные по измерению теплового потока на суше опубликованы в 1939 г., на море – только в 1952 г., что было связано с техническими сложностями, которые были преодолены в 1950-х гг. Э. Баллардом с сотрудниками, разработавшими термометрический зонд, погружавшийся в породы океанического дна.

Методы исследования и полученные результаты

Методики определения теплового потока на континентах и океаническом дне различны. На суше с помощью терморезистора измеряют температуру по всей глубине скважины (термограмма) и вычисляют значения градиента температуры. На дне океана или озера при помощи зонда-термоградиентографа измеряют температуру (градиент температуры) и берут пробы грунта со дна. Материал керна, полученного из скважины, так же как и пробы донного грунта, исследуют в лаборатории: измеряют теплопроводность образцов пород, по совокупности данных рассчитывают тепловой поток.

Одним из важных открытий, сделанных на основе океанических измерений теплового потока, явилось то, что тепловой поток имеет повышенные значения у гребней срединно-океанических хребтов и уменьшается по мере удаления от оси хребта. Этот факт и его объяснение на основе простых тепловых моделей послужили дополнительным подтверждением крупнейшего открытия 20 в. – глобальной геодинамики, основанной на синтезе идей и достижений геологии и геофизики (в первую очередь палеомагнетизма). Существенный вклад в изучение тектонической и термической истории Земли внёс Уэда Сэйя. В дальнейшем масштабные морские геотермические исследования привели к обнаружению зависимости теплового потока через дно океанов от возраста океанической коры.

Созданием и систематическим пополнением мирового каталога данных о тепловом потоке Земли занимается Международная комиссия по тепловому потоку (International Heat Flow Commission, IHFC), образованная в 1963 г. Одним из её основателей и председателем в период с 1967 по 1979 гг. была Е. А. Любимова. Эта комиссия координирует геотермические исследования и по мере накопления данных по тепловому потоку на континентах и в океанах корректируются оценки средних значений потерь тепла с поверхности Земли. База данных по плотности теплового потока составляла около 20 000 значений на 1993 г. и около 50 000 значений на 2020 г. Исходя из этих данных, общие теплопотери Земли (полный планетарный поток тепла) составляют 41–46 ТВт, причём в среднем на океаны приходится 32 ТВт потерь тепла, на континенты – 14 ТВт. Современная скорость потерь тепла Землёй оценивается величиной примерно 1021 Дж/год, что на порядок выше энергии, выделяемой при землетрясениях или извержении вулканов.

Рис. 1. Глобальное распределение теплового потока. Иллюстрация из статьи: Vieira F., Hamza V. M. Global Heat Flow: New Estimates Using Digital Maps and GIS Techniques // International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics. 2018. Vol. 1, № 1. P. 6–13.Рис. 1. Глобальное распределение теплового потока. Иллюстрация из статьи: Vieira F., Hamza V. M. Global Heat Flow: New Estimates Using Digital Maps and GIS Techniques // International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics. 2018. Vol. 1, № 1. P. 6–13.Величина теплового потока тесно связана с тектонической подвижностью региона. На рис. 1 видно, что максимальные значения теплового потока наблюдаются на границах литосферных плит. Для докембрийских кристаллических щитов характерны низкие значения теплового потока (20–49 мВт/м²), для платформенных плит – средние (40–60 мВт/м²), для тектонически активных областей (срединно-океанические хребты, рифты, области современного орогенеза) – высокие (100–300 мВт/м² и более). Среднее значение плотности теплового потока по различным исследованиям составляет на континентах 58–66 мВт/м², на океаническом дне 93–101 мВт/м². Эти значения на несколько порядков меньше потока лучистой энергии от Солнца, хотя нагрев Земли за счёт солнечной радиации заметен лишь до глубины 20 м.

Рис. 2. Расположение точек измерения теплового потока. Общее число точек – 44386. Иллюстрация из статьи: Vieira F., Hamza V. M. Global Heat Flow: New Estimates Using Digital Maps and GIS Techniques // International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics. 2018. Vol. 1, № 1. P. 6–13.Рис. 2. Расположение точек измерения теплового потока. Общее число точек – 44386. Иллюстрация из статьи: Vieira F., Hamza V. M. Global Heat Flow: New Estimates Using Digital Maps and GIS Techniques // International Journal of Terrestrial Heat Flow and Applied Geothermics. 2018. Vol. 1, № 1. P. 6–13.Непосредственное измерение температуры в недрах Земли возможно только до глубин, достигаемых бурением (максимальная глубина Кольской сверхглубокой скважины составляет 12,26 км). Распределение температуры с глубиной определяют на основе различных оценок и расчётов с использованием аналитических методов и математического моделирования, учитывая, что подавляющая часть радиоактивных элементов в процессе эволюции была вынесена в верхние слои земной коры. Полагая, что средний геотермический градиент у поверхности равен 30 К/км и убывает с глубиной, на глубине 100 км получают оценку температуры в интервале 1400–1700 К. С учётом неравномерного распределения изотопов $^{238}\text{U},$ $^{235}\text{U},$ $^{232}\text{Th},$ $^{40}\text{K}$ и конвективного тепломассопереноса в мантии оценка температуры нижней мантии на границе с ядром составляет 3800 ± 200 К, а в центре Земли – (5–6) × 10³ К. Несколько более точные оценки температур на глубине дают расчёты теплового поля Земли с использованием реперных точек – глубины (определяемой по давлению) и температуры фазовых переходов.

Значение геотермических исследований

Геотермические исследования имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Так, терморазведка основана на изучении параметров теплового поля участков земной коры с последующим установлением взаимосвязи этих параметров с особенностями геологического строения и эволюции литосферы. Такие исследования наиболее эффективны при поисках нефти, газа, геотермальных вод, месторождений различных руд, для выявления разрывных нарушений, тектонически ослабленных зон, в мерзлотоведении и применяются в комплексе с другими геофизическими методами разведки.

Геотермальная энергия Земли может быть использована в хозяйственных целях: для выработки электроэнергии, снабжения горячей водой жилых и промышленных объектов, в курортологических и бальнеологических целях. Практическое значение имеют геотермальные ресурсы, устойчивый режим, относительная простота добычи и значительные площади распространения которых, позволяют использовать горячие воды и пар для теплоснабжения (при температуре от 40 до 100–150 °C) и выработки электроэнергии (при температуре порядка 150–300 °C). Геотермальные ресурсы разрабатываются более чем в 60 странах мира. Таким образом, человечество получает возобновляемый и экологически чистый источник энергии. Энергетический потенциал геотермальной энергии в России составляет 48,5 трлн т условного топлива.

Тепловое поле Земли обеспечивает энергией все геофизические и геологические процессы, поэтому экспериментальные и теоретические геотермические исследования широко используются также в палеоклиматологии, гидрогеологии, изучении глобального изменения климата.