8. Теплофизические свойства горных пород

8.1. Законы распространения тепла в горных породах

Распределение температур па поверхности Земли и в ее недрах, естественное тепловое поле Земли, определяется:

1. пространственным распределением и мощностью источников тепла (солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация и другие процессы);

2. способностью пород к передаче тепловой энергии;

3. пространственным распределением пород с различной теплопроводностью. Различают такие виды теплопередачи, как теплопроводность, конвективный и лучистый (радиационный) теплообмен.

Внутренняя тепловая энергия у диэлектриков возникает в результате тепловых колебаний их кристаллических решеток, а у проводников и полупроводников, кроме того, и вследствие теплового движения электронов. В узлах решеток диэлектриков размещаются взаимодействующие атомы, молекулы или ионы, находящиеся в тепловом движении, а так как колебания частиц кристаллической структуры не изолированы, в веществе распространяются волны тепловых колебаний. Передачу энергии связанных колебаний узлов решетки представляют себе как распространение в веществе гармонических упругих звуковых волн различной частоты.

Таким образом, перенос тепла в диэлектриках рассматривается как передача волнами кинетической энергии.

У проводников и полупроводников перенос тепловой энергии осуществляется в основном диффузией свободных электронов — передачей тепловой энергии электронами проводимости, решеточная теплопроводность проводников значительно меньше электронной.

В стационарном поле количество тепла, перенесенное через плоский слой, пропорционально градиенту температуры, площади поверхности слоя и времени: q = λ gradT τ, где λ–коэффициент теплопроводности, зависящий от особенностей тепловых свойств материала слоя, Дж / (с.м^-1) или Вт / (м.⁰К); q —плотность теплового потока, Дж/м², –количество тепла, протекающего в единицу времени, через единицу площади поверхности, м².

Геотемпературное поле. Интенсивность теплового движения атомов вещества определяет температуру. Для определения геотемпературного поля земной среды необходимо знать температуру на единый момент времени в каждой точке исследуемого пространства. Это условие должно соблюдаться при изучении гелиотермозоны и может практически игнорироваться при исследованиях в области геотермозоны, где геотемпературное поле стационарно. Поле температур отображают в изотермах – линиях одинаковой температуры.

Геотермический градиент. Степень изменения температуры на единицу расстояния между точками среды носит название геотермического градиента. Величина обратная геотермическому градиенту называется геотермической ступенью. В применении к исследованию горизонтов Земли геотермический градиент и ступень измеряется по глубине. Иногда такие измерения производят по горизонтальной плоскости или по плоскости кровли или подошвы горизонта. В этом случае направление определения градиента специально отмечают.

Градиент температуры определяется следующей формулой:

Grad T=(Т₂ – T₁)/(h₂ – h₁)=DT/Dh

Геотермический градиент измеряется в градусах Цельсия на единицу длины, °С/м, °С/100м.

Градиент температур в областях платформ, в верхних горизонтах составляет 1¸1,5°С/100м. В зонах активных геологических процессов, разломов, рифтов, молодых горных систем, вулканических областей он имеет более высокие значения 1,5-3°С/100м и более.

Теплопроводность. Теплопроводность среды характеризует ее способность передавать тепловую энергию. Коэффициент теплопроводности l харак­теризует количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры 1°С на единицу длины.

l = Q/gradT , l = a×c×s, Вт/(м°С),

где a -температуропроводность, c -теплоемкость, s- плотность

Температуропроводность - способность передавать температуру с большей или меньшей ее потерей на единицу длины. Единица измерения темпе­ратуропроводности – м ² /сек: a = l/(сs).

Обратимся к простейшим примерам для понятия смысла параметров теплопроводности и температуропроводности. Возьмем железный стержень. При нагревании одного конца очень быстро ощущаем высо­кую температуру на другом, нагретый металл быстро остывает. Это свидетельствует о высокой температуропроводности (15-18 м ²/сек) и теплопроводности (8-10 Вт/(м °С) и малой теплоемкости.

Вода, нефть обладают малой теплопроводностью и температуропроводностью, но зато большой теплоемкостью. Теплоемкость воды в 5 раз выше теплоемкости твердых пород и в 2 раза выше теплоемкости нефти.

Теплоемкость - способность единицы объема вещества поглощать или отдавать тепловую энергию. Коэффициент теплоемкости численно равен величине тепловой энергии, которую надо сообщить единице объема вещества, чтобы поднять его температуру на 1°С. Измеряется удельная теплоемкость в Дж/(кг°С).

Теплофизические параметры горных пород зависят от составляющих их минералов, структурно-текстурных особенностей пород, плотности, пористости, давления, температуры, влагонасыщенности. Одна и та же порода может иметь разные величины теплофизических параметров, в зависимости от места и направления измерения, что обусловлено неоднородностью породы и ее анизотропией.

В породах земной коры передача тепла происходит молекулярной (кондуктивной) теплопроводностыо, конвекцией и лучеиспусканием. Молекулярная теплопроводность определяется электронами проводимости и колебаниями атомов кристаллической решетки. С ростом температуры (соответственно глубины) величина кондуктивной теплопроводности уменьшается и увеличивается теплопроводность электромагнитным лучеиспусканием. Минимум суммарной теплопроводности горных пород приурочен к слою Мохоровичича, что обуславливает накопление в нем тепловой энергии. Земная кора является своеобразным "одеялом'' для Земли.

Конвективная теплопроводность обусловлена фильтрацией флюидов, как теплоносителя, поэтому зависит от объема пористого пространства, скорости фильтрации жидкости, ее теплоемкости и вязкости. При малой скорости движения жидкости поперечная и продольная теплопроводности равны. Конвективная теплопроводность значительна в мантии и внешнем ядре Земли. Доказано наличие глобальных мантийных конвекционных потоков, как двигателя тектонических процессов перемещения плит.

Величины теплофизических параметров основных видов пород приводятся в таблице, из которой видно, что отдельные породы имеют резко отличные теплофизические параметры. Высокой теплопроводностью и температуропроводностью обладают каменные соли, а низкой теплопроводностью - вода, нефть и воздух. В то же время вода и нефть обладают высокой теплоемкостью, поэтому их роль в конвективном теплопереносе очень большая.

Высокой теплопроводностью отмечаются все гидрохимические осадки и породы, обладающие электронной составлявшей теплопроводности: графит, железные и полиметаллические руды. С увеличением влажности породы от 0 до 40% теплопроводность пород увеличивается в 6 - 7 раз.

С увеличением температуры теплопроводность пород уменьшается. Так, в пределах до 500°С в осадочных породах, гранитах и базальтах теплопроводность уменьшается на 20%, а ультраосновных пород – в 2-2,5 раза.

Таблица теплофизических параметров пород

Породы	l,Вт/м °С	с, кДж/кг °С	а,10-6м2/сек
Гранит	2,5-4,1	0,67-0,96	0,61-0,76
Базальт	2,1-2,8	0,84-1,1	0,66-1,2
Мрамор	2,0-3,5	0,8-1	0,86-5,3
Глина	0,6-2,7	0,79-0,92	-
Доломит	до 4,6	-	до 2,2
Известняк	0,81-4,1	0,77-1,0	0,5-2,0
Каменная соль	7,2	0,84	4,1
Песок	0,35-3,5	0,71-0,84	-
Песчаник	0,7-5,8	0,79-1,0	0,44-2,4
Вода	0,58	4,18	1,4
Лед	2-2,4	2,09
Нефть	0,140	2,09	0,69-0,86
Воздух	0,026	1,01	19,7