Тепловые свойства горных пород Лекция 8

Тепловое состояние земных недр является первопричиной многих геологических процессов. Его изучение включает теоретическое и экспериментальные исследования параметров теплового поля.

Распределение температур на поверхности Земли и в ее недрах, то есть естественное тепловое поле Земли определяется: пространственным распределением и мощностью источников тепла. Этими источниками являются солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация, уплотнение и другие процессы; способностью пород к теплообмену – передаче тепловой энергии; пространственным распределением пород с различной теплопроводностью.

Теплофизические характеристики горных пород: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность Теплопроводность – процесс распределения теплоты от более нагретых к менее нагретым объемам неравномерно нагретого вещества, способствующий выравниванию температуры среды. В 1822 году Жан Батист Фурье установил связь градиента температуры с плотностью теплового потока. Эта связь стала называться Законом Фурье, который формулируется, как количество переносимой энергии определяется как плотность теплового потока, пропорциональное градиенту температуры: q=λ·gradT где q – плотность теплового потока, grad T – температурный градиент, λ - коэффициент теплопроводности.

Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К. Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью. Единица измерения в системе СИ Дж/кг·К, в системе СГС кал/г°С. Формула: c= Q/m (T 2 -T 1 ), где Q – количество теплоты, m – масса тела; T 2 -T 1 разность температур на которую изменилась температура тела массой m при проведении к нему количества теплоты Q.

Температуропроводность – это величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры. Численно равна отношению теплопроводности к теплоемкости единицы объема вещества. Выражается в единицах м 2 /с. Вычисляется: a=λ/cσ, где cσ – объемная теплоемкость.

Теплофизические параметры элементов и минералов. Тепловой режим земной коры зависит главным образом от теплопроводности минерального вещества. Самая высокая теплопроводность наблюдается у самородных элементов. Значения их λ мало отличаются от соответствующих чистых элементов. Наибольшее значение λ наблюдается у серебра и численно равна Вт/(м·К). Высокая теплопроводность (до 30 Вт/(м·К)) наблюдается у золота, меди некоторых других самородных элементов, таких как графит ( Вт/(м·К)), алмаз ( Вт/(м·К)), за исключением серы (0,85 Вт/(м·К)).

Главнейшие изученные классы минералов по величине теплопроводности располагаются следующим образом в порядке убывания: самородные металлы, а также графит алмаз (>120 Вт/(м·К)); сульфиды ( ~ 19 Вт/(м·К)); окислы (~ 11,8 Вт/(м·К)); галогениды (~ 6 Вт/(м·К)); карбонаты (~ 4,0 Вт/(м·К)); силикаты (~3,8 Вт/(м·К)); сульфаты (3,3 Вт/(м·К)); нитраты (2,1 Вт/(м·К)); самородные неметаллы (~0,85 Вт/(м·К)).

Теплофизические параметры горных пород Тепловые свойства горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения: свойствами и соотношением слагающих минералов; соотношением различных фаз (твердой, жидкой и газообразной); текстурой породы, ее анизотропией; структурой порового пространства, формой и размерами пор; свойствами цемента. Наличие в горных породах порового пространства, заполненного флюидом, резко снижает процент переноса тепла, складывающегося из кондуктивной теплопередачи внутри отдельной твердой частицы, в местах соприкосновения частиц.

Анализ данных показал, теплопроводность λ возрастает в ряду глины аргиллиты пески алевролиты известняки доломиты каменная соль. В этот ряд не входят песчаники. Диапазон изменения теплопроводности у песчаника очень большой. Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение теплопроводности в ряду ультраосновные основные средние рост у сиенита, и гранита. Метаморфические породы отличаются широкими пределами изменения коэффициента теплопроводности. Причем особенно они значительны у роговиков и кварцитов. Исключение составляют некоторые кристаллические сланцы серпентиниты и эклогиты.

Теплоемкость пород варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) Дж/кг·К. Для отдельных же групп пород теплоемкость изменяется следующим образом: от 0,42 до 4,65 Дж/кг·К (осадочные породы) от 0,45 до 2,13 Дж/кг·К (магматические породы) от 0,3 до 1,72 Дж/кг·К (метаморфические породы).

Наибольший диапазон теплоемкости среди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий – ангидриты, гипсы, аргиллиты. Для большинства осадочных пород вариации теплоемкости связаны с коэффициентом пористости и влажности. Чем больше их значения, тем выше теплоемкость. Вариации теплоемкости магматических и метаморфических пород также связаны с влажностью. Теплоемкость пород не зависят от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.