Тепловое состояние земной коры

Тепло в земную кору поступает за счет солнечной радиации (99,5 %), которая обогревает Землю с поверхности, и тепла, поступающего из недр Земли (0,5 %). Внутреннее тепло связано с радиоактивными процессами и проявляется, в основном, в разогревании внутренних геосфер Земли.

Эти два основных источника тепла в земной коре создают три температурные зоны: /— переменных, II — постоянных и III — нарастания температур (рис. 3).

Зона переменных температур. Солнце в течение 1 мин отдает на 1 см² земной поверхности, ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, примерно, 8,1 Дж тепла. Эта величина называется солнечной постоянной.

Под влиянием солнечной радиации происходят геологические процессы на поверхности Земли и в земной коре — круговорот воды, разрушение и созидание минеральных тел при выветривании. Это тепло играет основную роль в жизни органического мира на Земле. Амплитуды колебаний температур на земной поверхности изменяются в широких пределах: от —90 °С (Антарктида) до +65 °С (Африка).

Температуры на различных участках одной и той же широты Земли неодинаковы и зависят от рельефа местности, растительного покрова.

В зоне переменных температур различают следующие колебания температур: 1) вековые, 2) годовые, 3) сезонные, 4) месячные и 5) суточные. Для строительных целей наибольшее значение имеют сезонные колебания температур.

Из рис. 3 видно, что влияние солнечного тепла в зоне / сказывается лишь до определенной глубины. Оно проникает в земную кору примерно до глубины 25 м. Температура в этой зоне определяется среднегодовой температурой воздуха в данной местности, например, для Москвы она равна +4,2 °Си зафиксирована на глубине 20 м.

Суточные колебания температур практически не сказываются глубже 1,5 м.

На территориях, где не бывает морозной зимы, температуры в зоне / всегда положительные (см. рис. 3, кривая а), а в районах с морозными зимами в зоне / появляется О) г о °с г ф п подзона 1А, где грунты в зимнее время

Рис. 3. Зоны температур в земной коре

В ней дисперсные и техногенные грунты замерзают за счет перехода в их порах воды в твердое состояние (лед). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счет расклинивающего действия образующегося льда (увеличение объема льда достигает 9,1 %).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвязные грунты за счет ледяного цемента приобретают повышенную прочность, несколько увеличивают свой объем и становятся водонепроницаемыми. Предел прочности при сжатии мерзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при их механической разработке. При небольшой влажности (например, в песках) свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре практически мало меняются.

В весеннее время лед в грунтах растаивает. Грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это проявляется в глинистых, органоминеральных и органических грунтах. Илы и глинистые грунты могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под дорожных одежд и фундаментов зданий.

В дорожном и аэродромном строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учитывают, определяют глубину промерзания (с!/). Величина йколеблется от нескольких сантиметров до 2—3 м. Ее определяют: 1) по карте СНиПа, где показано среднее значение для каждой местности; 2) по расчетным формулам и 3) по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности. Искомое значение используют при проектировании аэродромов и дорожных трасс. Так как дороги имеют большую протяженность, проходят по различным грунтам и климатическим поясам, то величина й) для различных участков дороги может иметь неодинаковые значения.

В тех случаях, когда при проектировании автодорог сезонное промерзание не получает необходимой оценки, дорожная одежда начинает разрушаться. Практически то же самое происходит, когда дороги низших категорий начинают использовать для большегрузного транспорта. В качестве примера можно привести некоторые дороги Белоруссии, на которых в весеннее время, т. е. в период оттаивания грунтов, ограничивают движение грузового автотранспорта, имеющего нагрузку на одиночную ось более 6—9 т.

Зона постоянных температур располагается под зоной / (см. рис. 3). В умеренных широтах она ориентировочно лежит на глубине от 15 до 40 м. В этой зоне температуры круглый год одни и те же и соответствуют среднегодовой температуре данной местности. Под Москвой зона II начинается с глубины 20 м, а в Санкт-Петербурге с 19,6 м. Постоянство тепла в зоне II объясняется его равномерным притоком из глубин земной коры. Приток тепла за счет солнечной радиации отсутствует.

Зона нарастания температур по глубине (см. рис. 3) располагается под зоной II. В этой зоне III под влиянием внутреннего тепла Земли температура с глубиной непрерывно повышается. Для характеристики этого повышения введено два понятия — геотермический градиент и геотермическая ступень.

Геотермический градиент — это величина, на которую повышается температура горных пород с увеличением глубины на каждые 100 м. В среднем этот градиент равен +3 °С. Геотермическая ступень — это интервал глубины земной коры в метрах, на котором температура повышается на 1 °С.

Значения геотермической ступени колеблются в широких пределах, что связано с литологией и геологическим залеганием горных пород, движением подземных вод, близостью вулканических очагов и т. д. В среднем для толщ осадочных пород геотермическую ступень принимают равной 33 м, а в действительности интервал значений составляет от 5 до 160 м (на территории России чаще от 20 до 100 м).

Строгая закономерность в нарастании температур отсутствует, поэтому истинные значения температур чаще всего определяют с помощью буровых скважин. Так, в Ставрополе на глубине 1000 м температура равна +70 °С, в Невинномысске на глубине 1500 м — около 109 °С, в Гурьеве на глубине 3000 м — почти 108 °С, а в Москве на глубине 1600 м — около 41 °С.

Постоянство температуры в зоне II и ее увеличение с глубиной представляет практический интерес при проходке дорожных тоннелей, особенно в горных районах, а также при строительстве метрополитенов. При строительстве объектов значения возможных температур определяют в процессе бурения скважин и по расчетным формулам.