Aula 15: Geotermia - CPGG-UFBA

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GEO046
Geofísica
O calor na Terra
a A convecção térmica no manto fornece o mecanismo
controlador da tectônica de placas e os processos
geológicos decorrentes.
a A convecção composicional do núcleo, conseqüência do
esfriamento do núcleo, controla o dínamo geomagnético.
a O manto atua como uma máquina térmica, produzindo
energia mecânica durante o processo de transferência de
calor do interior aquecido para a superfície fria.
a O processo evidencia-se nos movimentos das placas
superficiais, o fluxo de calor superficial correlacionado com
aspectos geológicos, e a geração do calor radiogênico.
Aula no 15
MÉTODOS GEOTÉRMICOS
Calor terrestre
June 04
Hédison K. Sato
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O calor na Terra
a O calor no interior da Terra tem origem radiogênica. A
descoberta da desintegração radioativa em 1896, por
Henry Becquerel, foi fundamental.
a A consideração do calor radiogênico permitiu estender a
idade da Terra para além do limite indicado pelo modelo
do esfriamento da Terra, cuja hipótese básica
considerava que o calor teria originado do colapso
gravitacional.
a A idade da Terra, até então considerada dessa forma,
não condiziam com outras evidências geológicas.
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O calor na Terra
a O calor pode ser transmitido de três formas: condução,
convecção e irradiação.
a No interior da Terra, as duas primeiras formas são as
mais importantes.
a A taxa atual de perda de calor através da superfície da
Terra é da ordem de 4.15×1013 W (1.25×1021 J/ano).
a São ordens de magnitude maior que a energia liberada
pelo vulcões e terremotos.
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Fluxo nos continentes
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Fluxo nos oceanos
a Menor nos terrenos continentais mais antigos.
a Com maior dispersão, observa-se que os mais antigos
apresentam menor fluxo de calor.
Mais de 50% do fluxo tem origem radiogênica na própria
crosta. Assim, a variação com a idade deve-se, em grande
parte, à maior erosão das rochas geradoras de calor das
crostas mais antigas. O calor residual da atividade ígnea
contribui para o fluxo de calor, somente na crosta jovem.
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Fluxo nos oceanos
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Fluxo nos oceanos
a Deve-se, primariamente,
ao esfriamento da
litosfera.
a O magma basáltico
fresco é exposto pelo
soerguimento na cadeia
mesooceânica e, inicialmente, esfria-se mais
rapidamente pela circulação hidrotermal na fraturas, do
que pela difusão.
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Fluxo nos oceanos
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Fluxo e idade
a À medida que a rocha
basáltica se afasta da
mesooceânica, os
sedimentos inibem
gradativamente a
circulação hidrotermal,
remanescendo apenas a difusão.
a Na crosta oceânica antiga, o fluxo tende para 38
mW/m2. Atribuído a combinação da litosfera radiogênica
e o calor do manto abaixo.
a O fluxo de calor continental reduz com idade e estendese por um período bem maior quando comparado com a
mesma questão nos oceanos.
a A radioatividade nas rochas mais superficiais da crosta
desempenham um papel significativo para o fluxo de
calor continental.
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Fluxo e idade
a A contribuição calor radiogênico das rochas superficiais
pode ser separado das fontes mais profundas.
a Seja A, a produção de calor por unidade de volume de
uma rocha (W/m3). Então, numa coluna de rocha de
altura h, o calor q que escapa pela superfície iguala-se
ao calor gerado na coluna, hA, mais o calor q0 que entra
pela base da coluna:
q = q0 + hA
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Fluxo continental
a q versus A em três
regiões.
a A dispersão dos
dados da Província
B&R é atribuída a a
fontes profundas:
convecções
hidrotermais e
magmáticas.
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Equação do calor
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Mudança climática (senoidal)
a Supondo somente a condução e uma dimensão, temos
∂ 2T 1 ∂T
=
∂z 2 κ ∂t
Supondo que, na superfície, é imposta uma temperatura
variando de forma senoidal
T (t , z = 0) = T0 sen ωt ,
a temperatura a uma profundidade z será :
ω ⎞ ⎛
ω ⎞
⎛
T(t,z) = T0 exp⎜ −
z ⎟ sen⎜ ωt −
z ⎟.
2κ ⎠ ⎝
2κ ⎠
⎝
Trata-se de uma onda senoidal amortecida propagando-se
para dentro da Terra.
a O calor flui das temperaturas altas para as baixas.
r
q = − K∇T
onde K é a condutividade térmica.
Apenas consideran do a condução térmica, a temperatura
obedece a seguinte equação :
1 ∂T
∇ 2T =
κ ∂t
onde κ é a difusividade térmica ( K ρc p ), sendo
K , a condutividade térmica, ρ , a densidade de massa, e
c p , o calor específico a pressão constante.
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Mudança climática (senoidal)
ω
a O amortecimento
−
z
ω ⎞
⎛
2κ
=
T(t,z)
T
e
sen⎜ ωt −
z ⎟.
0
exponencial
2κ ⎠
⎝
é controlado pela
freqüência e difusividade térmica.
a Assim, se vê que, quanto mais rápidas forem as
variações de temperatura superficial, menores serão as
profundidade influenciadas.
a Como o esperado, quanto maior a difusividade térmica,
a perturbação térmica senoidal é mais eficaz em
profundidade.
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Mudança climática (senoidal)
ω
a Assim, espera-se que
−
z
ω ⎞
⎛
2κ
=
T(t,z)
T
e
sen⎜ ωt −
z ⎟.
0
apenas as variações
2κ ⎠
⎝
da ordem de períodos
glaciais penetrem a grandes profundidades.
a Supondo a difusividade da crosta como 1.3×10-6 m2/s e
período de 10000 anos, a profundidade, em que a
amplitude da variação térmica é metade do valor
superficial, vale 250 m.
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Mudança climática (degrau)
Mudança climática (degrau)
T (t , z = 0) = 0 para t < 0 e = T0 para t > 0.
O gradiente de temperatura associado é
T
∂T
= − 0 exp(− z 2 (4κt )).
∂z
πκt
A uma profundidade z , T(t,z) = T0 [1 − erf (z / 2 κt )] ,
onde
erf( x) =
2 x −ζ 2
∫ e dζ .
π
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0
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Convecção no manto
Ondas sísmicas refletidas na interface manto-núcleo
indicam os criptoceanos e criptocontinentes.
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Medidas do fluxo de calor
a A determinação do fluxo de calor requer duas medições
separadas: o gradiente térmico (∂T/∂z) e a
condutividade térmica (K), a partir da qual se obtém o
fluxo de calor por unidade de área: q= K ∂T/∂z.
Após a inserção da sonda, o gradiente de
SONDA
temperatura é obtido a partir da medida
das temperaturas ao longo da sonda.
O aquecimento elétrico é aplicado na
extremidade a uma taxa conhecida e,
Sensores de
temperatura
após o equilíbrio, o gradiente é
novamente medido que permite obter a
Aquecedor
condutividade térmica.
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Levantamento geotérmico
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Levantamento geotérmico
Área de Neckertal (sul da Alemanha) Água térmica de 100150m surge através de fissuras e fraturas e afetam a
distribuição da temperatura local.
É possível localizar
com medidas rasas,
fissuras em
subsuperfície
através da qual a
água profunda
penetra no aqüífero
superficial.
A anomalia é bastante
clara e, importante,
detectável a baixa
profundidade.
No caso, a anomalia
deve-se mais ao calor
radiogênico do granito
do que a sua própria
condutividade
térmica.
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Levantamento geotérmico
Variações significativas do gradiente de temperatura estão
intimamente relacionadas com variações litológicas.
Os maiores
gradientes nos
folhelhos e os
menores no sal
e nos anidritos,
deve-se a
maior
condutividade
térmica destes.
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Avaliação da UFBA
a Sítio http://www.avaliacao.ufba.br
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Referências:
a Sharma, P. V., 1986, Geophysical methods in geology.
2. ed., Elsevier, New York.
a Stacey, F. D.,1992, Physics of the Earth. Brookfield
Press, Brisbaine, Australia.