Внутренняя энергия Земли: новая гипотеза

В докладе представлены основные положения недавно опубликованной гипотезы, уточняющей природу геотермальной энергии и концепцию абиогенного происхождения углеводородов.

Результаты проведенных в мире новых исследований тепловых потоков в недрах Земли, в том числе и экспериментальных, позволили по иному взглянуть на природу внутренней энергии планеты и явились мотивом появления гипотезы по уточнению природы геотермальной энергии [1]. Ниже представлен краткий обзор работ, послуживших обоснованию новой гипотезы, и основные положения гипотезы.

В настоящее время природа геотермальной энергии установлена и является общепризнанной – это следствие радиоактивного распада элементов, содержащихся в земной коре (радиоактивных изотопов, таких как ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Тh,⁴⁰K). Рассматриваются гипотезы о наличии и других источников, генерирующих внутреннюю энергию Земли: приливное воздействие Луны, уплотнение мантии и др. [2].

Теоретическая (оценочная) величина теплового потока через земную поверхность определяется зависимостью [1]:

F=4πR² dT/dr λ,

где dT/dr=0,025–0,030 град/м (температурный коэффициент для глубины нескольких километров земной коры); λ=2 Вт/м∙град (коэффициент теплопроводности базальта верхнего слоя земной коры); R–радиус Земли (6371 км). Из приведенного выражения получаем F=28…31) ТВт.

Для уточнения расчетной величины теплового потока с 1939 года начали проводить и экспериментальные исследования. Впечатляют масштабы практических экспериментов по определению локальных тепловых потоков через земную поверхность: 20 тысяч пунктов (неглубокие скважины с измерением температурных коэффициентов и теплопроводности) по всему земному шару, в том числе и под дном океанов.

Мотивом появления гипотезы послужили результаты недавно проведенных при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии фундаментальных экспериментальных изысканий по определению величин тепловых потоков в недрах Земли, вызванных радиоактивным распадом вышеупомянутых изотопов. Обнаружилось значительное расхождение между количеством энергии, генерируемой вследствие распада радиоактивных изотопов, а также энергии других (нерадиоактивных) источников, и суммой количества энергии, необходимой для поддержания магнитного поля Земли, а также энергии излучения через земную поверхность. В таблице представлены расчётные и экспериментальные данные энергетического баланса Земли ( в итоговые показатели не включены расчётные значения тепловых потоков).

Энергетический баланс Земли (тепловые потоки, ТВт)

Методические сложности измерений [1] заставляют усреднять полученные результаты разными коллективами исследователей и тепловой поток через поверхность Земли принимается равным 45 ± 1 ТВт (1,5× 10²¹ Дж/год.). Эта энергия более чем на три порядка меньше энергии, получаемой Землёй от Солнца, хотя раньше, в ХVIII веке, физики и климатологи считали, что климат зависит в основном от внутреннего тепла Земли. Недостающие по балансу ~100 ТВт теплового потока (см. табл.) призван обеспечивать иной мощный источник стабильный энергии. Этим источником не может быть изначальный запас земной энергии ядра планеты, ибо вследствие теплопроводности земной коры и мантии он не мог бы сохраниться даже на протяжении 100 млн. лет. Температура ядра должна была бы существенно снизиться, но согласно последним исследованиям, температура внутреннего ядра Земли примерно на 1000 К выше, чем предполагалось ранее, и составляет 6250±500 К [1].

Выдвинута гипотеза о существовании ранее не рассматриваемого источника внутренней энергии Земли [1]. Предположено, что таким источником внутренней энергии Земли могут быть термоядерные реакции особого класса (пикноядерные реакции) в ядре планеты. Показана принципиальная возможность их протекания при низких и сверхнизких температурах, но при очень высоких плотностях вещества, указаны необходимые показатели для таких реакций и оценены имеющиеся условия (топливо, температура и давление) в недрах планеты для их осуществления. Заметим, что температуры, охарактеризованы как “низкие и сверхнизкие”, относительно температур, присущих термоядерным реакциям в разрабатываемых сейчас термоядерных энергоустановках или реакциях, вероятно, происходящим в недрах планет-гигантов.

В качестве топлива рассматривается водород в химическом соединении с различными металлами (гидриды) [7;8]. Растворённый в металлах водород имеется как во внешнем, так и во внутреннем ядре Земли. Необходимая температура для реакций составляет диапазон 10³<Т<10⁵ К. Температура в ядре Земли, как отмечалось выше, по уточнённым данным оценивается в 6250 ± 500К. Необходимое давление для реакций – 10⁷ – 10⁸ бар. Давление в ядре Земли составляет 3×10⁶ бар, но при крупных землетрясениях (а их ежегодно бывает около 100) продольные сейсмические волны в локальных точках могут создавать давления в 10⁷ – 10⁸ бар и более [1].

Таким образом, необходимые условия для протекания термоядерных (пикноядерных) реакций имеются. В отдельных местах ядра Земли, как центрах термоядерных реакций, происходит разложение гидридов металлов c выделением водорода и вынос избытка тепла с газо-водородными потоками во внешние сферы и слои, ближе к поверхности Земли. Эти водородно-флюидные потоки, возникающие в ядре, являются источником тепловой энергии, многократно превосходящей суммарную энергию радиоактивного распада вышеупомянутых изотопов и создающей тот недостающий тепловой поток в 100 ТВт в энергетическом балансе Земли (табл.)

Строение “твёрдой” Земли

Новые представления о термоядерной природе геотермальной энергии согласно выдвинутой гипотезе позволяют не только уточнить природу и величину внутренней энергии Земли, но и уточнить концепцию происхождение углеводородов (нефти, природного газа).

Как известно, в разные периоды (начиная со средних веков) учёные при выяснении генезиса углеводородов полагались на разнообразные гипотезы как органического (биогенного) так и неорганического (абиогенного) происхождения углеводородов, в частности, нефти [9].

Постепенно к 70-м годам ХХ века ведущие позиции заняло направление, отстаивающее биогенную природу нефти (международные конгрессы нефти 1963, 1967 и 1971 годов). Поиски углеводородов в мире проводились, исходя из представлений их органического происхождения. И хотя абиогенное происхождение нефти не получило общепринятого признания, всё же и в дальнейшем взгляд на абиогенную природу происхождения нефти отстаивался и продолжает отстаиваться рядом учёных [1].

Описанная гипотеза о термоядерной природе внутренней энергии Земли представляет следующим механизм абиогенного происхождение углеводородов. «Восходящие водородно-флюидные потоки вымывают углерод из глубин геосфер, перемещая его в самые верхние оболочки литосферы. Проявление такой тенденции приводило к тому, что в осадочном чехле планеты и покрывающих её водных бассейнах возрастала общая концентрация углерода, в результате формировались разнообразные соединения – от карбоновых толщин до скопления угля и углеводородов” [1]. При дегазации водорода из ядра планеты и при его попадании в обогащённые углеродом толщи будут протекать реакции гидрогенизации, формирующие нефтеносные слои и месторождения природного газа.

Новые представления о термоядерной природе внутренней энергии Земли позволяют уточнить существующие концепции о происхождении углеводородов и дают основания говорить об образовании нефти и газа в настоящее время и “до тех пор пока не иссякнут запасы водорода в земном ядре и не прекратятся термоядерные реакции”[1]. Не подтверждается ли это положение прогнозами постоянных сдвигов сроков обеспеченности запасов нефти и газа? Так, например, по прогнозу 1989 года срок обеспеченности запасов нефти составлял 41 год, природного газа – 58 лет [10]; прогноз 2012 года определяет такой срок соответственно в 40-45лет и 60-70 лет [11].

Не исключается также, что из ядра планеты может выходить и чистый водород через трещины и разрывы в земляной коре. Случаи выхода огромных количеств газов, содержащих водород и сам водород в чистом виде, геологам известны в прошлом [1]. Предложенная гипотеза даёт основание также рассматривать вопрос о возможности добычи чистого водорода из недр Земли. В этом случае для геологической науки может предстать проблема поиска и добычи водорода как топлива для промышленных целей.

Как отмечалось выше, в настоящее время превалирует концепция биогенного происхождения углеводородов. Рассмотренная гипотеза уточняет представления сторонников их неорганического происхождения, давая основание утверждать, что “в принципе могут существовать два равноправных источника углеводородов” [1]. При этом подчёркивается, что источники абиогенного происхождения углеводородов повсеместно распространены в земле, в то время как биогенные источники ограничены по запасам и сосредоточены географически в местах распространения древней флоры и фауны.

В институте геологических наук НАН Украины проведены исследования, результаты которых меняют представления о ресурсном потенциале земных недр и, возможно, подтверждают абиогенную природу происхождения углеводородов. “Были получены реальные доказательства формирования зон интенсивного эндогенного рудообразования и нефтегазонакопления суперглубинных флюидов, связанных не только с верхней мантией, а и с нижней мантией и границей мантии и ядра. Это удалось сделать благодаря системному комплексному подходу к проблеме на основании результатов сейсмографических и разных минералогогеохимических исследований. Подъём флюидов из глубин геосферы Земли было независимо подтверждено открытием нового явления – наличия микро- и наночастиц самородных металлов и природных сплавов в коллекторах нефти и газа, в геотермальных рудах и т. п. Это коренным образом меняет наши представления о ресурсном потенциале земных недр и о закономерности нефтедогенеза и рудообразования. Три нефтегазоносных региона на территории Украины относятся к сверхглубоким осадочным бассейнам с аномально высокими мощностями осадочного типа. Глубокие горизонты этих бассейнов являются неисчерпаемыми источниками углеводородов, водорода, гелия, в т. ч. 3Не. Их освоение – это без преувеличения будущее нашей цивилизации” [12].

Как заключение отметим, что гипотеза о термоядерной природе внутренней энергии Земли носит дискуссионный характер. Представляется интересным проследить дальнейший ход обсуждения этой проблемы.

Литература

1. Терез Э.И., Терез И.Э. Реакция синтеза – основной источник внутренней энергии Земли // Вестник Российской академии наук. – 2015. – Т. 85, №3.- 240 – 246.
2. Anderson D.L. New Theory of the Earht. N.Y.: Cambridge U. Press, 2007.
3. Pollak H.N., Hurter S.J., Johnson J.R. Heat Flow from the Earth’s Interior: Analysis of the Global Data Set // Reviews of Geophysics. 1993. № 3.
4. Lay T., Hernlund J., Buffet B.A. Core –mantle boundary heat flow// Nature Geoscience. 2008. V. 1. P 25-35.
5. Condo A., Condo Y., Ichimura K., et al. Partial Radiogenic Heat Model for Earth Revealed by Geoneutrino Measurements// Geoscience. 2011. V. 4. P. 647-651.
6. Баранов М.И. Приближённый расчёт магнитного поля Земли // Электротехника и электроника. 2010.Т.6. С. 46-48.
7. Ларин В. Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М.: Недра, 1980.
8. Терез Э. И., Терез . И. Э. Термоядерные процессы в ядре - главный источник энергии геодинамической эволюции и дегазации Земли // Известия Крымской астрофизической обсерватории . 2011. № 1.
9. Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Т.1. Від вогню та води до електрики.- К., 2006. – 304с. Розділ 8. Нафта і газ. С.199 – 207.
10. Вольфберг Д. Б., Троицкий А. А. Основные итоги ХІV конгресса Мировой энергетической конференции // Теплоэнергетика. 1990. № 2. –C. 2-8.
11. Кондратов Д. И. Проблемы мирового рынка // Вестник РАН. 2015. Т. 85. № 7. – С. 616 - 626.
12. Із зали засідань Президії НАН України 2 грудня 2015 року//Вісник НАНУ. 2016. № 2. – С. 13-17.

Басок Б.И., Базеев Е.Т.,
Институт технической теплофизики НАН Украины

• Відновлювані джерела енергії