6. Процессы и законы распределения тепла в горных породах. Основные тепловые характеристики.

Теплопроводность

Осадочные породы. Пониженная теплопроводность заполняющей среды — главная причина значительных колебаний теплофизических характеристик осадочных отложений, резко различающихся пористо­стью, влагонасыщенностью в зависимости от условий образования, сте­пени литификации, диагенеза и других особенностей. Среди осадочных отложений по значению теплофизических ха­рактеристик можно выделить три группы пород:

1. терригенно-глинистые отложения с резко меняющейся тепло­проводностью, варьирующей в зависимости от степени литифика­ции осадков;

2. плотные (кристаллические) карбонатные, соленосные и кварцитовые породы с постоянно повышенной теплопроводностью;

3. каустобиолиты (торф, бурые и каменные угли, углеродистые горючие сланцы} с чрезвычайно низкой теплопроводностью и высо­кой теплоемкостью.

В силу большой распространенности терригенно-глинистых отло­жений их теплофизические свойства имеют решающее значение в формировании теплового режима земной коры. Анализ данных, относящихся к пределам изменения главней­ших типов осадочных пород, показал, что теплопроводность воз­растает в ряду глины —> аргиллиты —> пески —> алевролиты —> из­вестняки —> доломиты —> каменная соль. В этот ряд не входят пес­чаники. Самая низкая теплопроводность [0,38 Вт/(м-К)] наблюда­ется у сухих и высокопористых песчаников, а самая высокая — у низкопористых окварцованных или оруденелых их разностей с очень высокой концентрацией относительно высокотеплопровод­ных кварца или рудных минералов (пирит, магнетит и др.). Для глин и аргиллитов обычны сравнительно узкие пределы изменения X и низкие ее значения для сухих и высокопористых разностей. Для алевролитов и песков пределы изменения X несколько шире в свя­зи с большим диапазоном изменения их Кп и меньшим содержани­ем глинистых минералов. Пределы изменения X известняков, ка­менной соли еще шире (за исключением песчаников) и сдвинуты в сторону более высоких значений X за счет снижения их кп и возра­стания X породообразующих минералов (кальцита, доломита, галита),

Магматические и метаморфические породы. Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение самых высоких и самых низких значений X в ряду ультраосновные —> средние породы, рост предельно высоких и расширение предельных значений у сиенита и гранита. Для сиенита это объясняется повышением концентрации бо­лее теплопроводных минералов (калиевые полевые шпаты и роговая обманка), а для гранита — кварца.

Для слабоизмененных эффузивных пород характерны сужение пределов изменения коэффициента теплопроводности, снижение предельно высоких значений из-за наличия в составе этих пород пироксенов (см. табл. 16). Гораздо более низкие значения X у обсидиана и пемзы, содержащих много кремнекислоты, объясняют их аморф­ной структурой. Предельно малые значения X у высокопористых ба­зальтов значительно ниже, чем у андезита и обсидиана. Несмотря на высокое содержание кремнезема обсидианы, а также пемзы не име­ют высоких значений X и не только из-за высокой пористости, как у пемзы, но и из-за низкой теплопроводности стекловатого кварца, у которого X не превышает 1,34 Вт/(м-К).

Предельно высокие значения X у сильно измененных эффузивных пород снижаются от диабаза к кварцевому порфиру, а предельно низ­кие значения возрастают в том же направлении. Низкие значения X у диабаза и порфирита связывают с кристаллоаморфной структурой этих пород. Относительно невысоки значения X у кварцевого порфи­ра, поскольку данная порода содержит до 66% минералов (ортокла­за, олигоклаза, биотита), X которых значительно ниже, чем у кварца.

Многие типы метаморфических пород отличаются широкими пре­делами изменения X (особенно у роговиков и кварцитов). Исключение составляют некоторые кристаллические сланцы, серпентиниты и эклогиты. Очень низкие значения X для глинистых сланцев и очень вы­сокие для кварцитов объясняются особенностями их минерального состава. Глинистые сланцы характеризуются высокой концентраци­ей глинистых минералов с низкими значениями А, а кварциты — боль­шим содержанием кремнезема, причем здесь находятся в различном соотношении кварц, опал и халцедон, по-видимому, с резко отличны­ми значениями X. Коэффициент пористости этих пород нередко име­ет очень низкие значения. Для руд X изменяется от 1,6 до 4,9 Вт/(м-К), и эти значения близки к X низкопористых пород.

_{Теплоемкость.} Для пород с_pm варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) кДж/(кг-К). Для отдельных же групп пород она изменяется следую­щим образом: от 0,42 до 4,65 (осадочные), от 0,45 до 2,13 (магматичес­кие), от 0,3 до 1,72 (метаморфические). Наибольший диапазон с_pm сре­ди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий — ангидриты, гипсы и аргиллиты

(см. табл. 13), Широкие пределы изменения с_pm каменной соли пока удовлетворительно не объяснены, а для большинства других осадоч­ных пород их связывают с большой вариацией их коэффициентов по­ристости и влажности. Чем выше значения последних, тем больше с_pm . В широких пределах варьирует с_pm базальтов, так как влажность их значительно изменяется; с_pm всех остальных магматических по­род, за исключением гранита, укладывается в 0,5—1,2 кДж/(кг-К). Относительно небольшая вариация значений с_pm метаморфических пород обусловлена малым изменением их влажности. Теплоемкость руд гораздо меньше [от 0,6 до 1,3 кДж/{кг-К)), чем пород. Теплоем­кость пород не зависит от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.