1.8. Термічні властивості

До термічних властивостей гірських порід належать питома теплопровідність λ, тепломісткість С і теплопровідність а. Ці параметри пов’язані між собою співвідношенням

а=λ/Сσ, (11)

де σ - густина гірської породи.

Теплопровідність - це властивість середовища передавати кінетичну теплову енергію його молекул, що передусім залежить від різновиду породи (мінерального складу, структури), поруватості і тріщинуватості, типу рідини, що заповнює пори і порожнини і ступеня їхньої наповненості, температури (особливо від’ємної) (рис. 21).

а б

Рис.21. Діапазон зміни теплопровідності деяких мінералів і гірських порід (а) і залежність питомої теплопровідності пісковика від поруватості для різних порозаповнювачів (б)

І - кварц, польові шпати, слюда; ІІ - граніт, сієніт, базальт; ІІІ - гнейс, мармур, лупак; ІV - пісковик, доломіт, вапняк, пісок, глина, лес

1 - повітря (λ~1,2 Вт·м^-1·К^-1); 2 - вода (λ~0,63 Вт·м^-1·К^-1)

Діапазон зміни теплопровідності деяких мінералів і гірських порід зображено на рис. 21, з якого видно, що теплопровідність твердої мінеральної частини порід загалом більша, ніж у заповнювачів пор і тріщин (гази, рідини). Внаслідок цього вона зменшується зі збільшенням поруватості і тріщинуватості.

Якщо рідина, що заповнює пори і порожнини, рухається, то завдяки додаткового конвекційного перенесення тепла стрімко збільшуватиметься і λ (точніше, позірна теплопровідність λ_п), що приводить до виникнення температурних аномалій, внаслідок чого геотермію можна успішно застосовувати під час гідрогеологічних досліджень.

Крім того, з матеріалів, зображених на рис. 21, видно, що серед найпоши-реніших породотвірних мінералів кварц має аномально велике значення λ. Звідси випливає, що у магматичних порід теплопровідність поступово зменшується під час переходу від кислих (граніт) до основних (діорит) різновидів.

Оскільки зі збільшенням тиску поруватість і тріщинуватість порід зменшується, їхня теплопровідність з глибиною і віком зростає (за однакових інших умов). Збільшується теплопровідність і з переходом води у лід (у замерзлих породах), оскільки контакти між суміжними частинками стають кращими.

1.9. Залежність між “геофізичними” та “інженерно-геологічними” і “гідрогеологічними” властивостями порід*

Визначення фізико-механічних і водно-фізичних властивостей гірських порід безпосередньо інженерно-геологічними методами потребує значних затрат праці і часу. Їхнє дослідження за посередніми геофізичними показниками простіше і дає змогу схарактеризувати різні об’єми досліджуваного середовища, а отриману інформацію завдяки масовим визначенням легко можна статистично опрацювати за допомогою кореляційного аналізу, який дає змогу, окрім іншого, визначити наближеність виявленого зв’язку до функціонального.

Можливість виявлення зв’язків між наведеними в заголовку параметрами розглянемо окремо для двох груп порід: дисперсних і скельних.

.1.9.1 Дисперсні породи

Уявлення про зв’язок літології низки “глина-суглинок-супісок-пісок-галечники(ріняки)-валуни” з їхнім електричним опором для різних мінералізацій насичувальних розчинів дають матеріали, зображені на рис. 22, із аналізу яких видно, що у випадку сталої мінералізації найсуттєвішою причиною, що впливає на опір пухких і слабкозв’язаних ґрунтів, є кількість глинястих частинок. Водночас від їхньої кількості залежать і головні фізико-механічні і воднофізичні властивості ґрунтів, тобто електроопір через кількість глинястого матеріалу пов’язаний з цими характеристиками. Аналогічну залежність для низки “глина-супісок-пісок” спостерігають і для параметра поляризаційності порід η.

Крім того, виявлено, що швидкість сейсмічних хвиль для однотипних ґрунтів переважно залежить від наявності глинястих і дрібнодисперсних фракцій, що збільшують сумарну площу дотикання між зернами породи, а відтак сприяють підвищенню швидкості хвиль, що добре можна простежити за експериментальними матеріалами.

Нарешті, природна радіоактивність осадових порід дуже тісно пов’язана з їхньою глинястістю, що дає змогу використовувати гамма-каротаж для виділення оптимальних місць для закладання фільтрів у гідрогеологічних свердловинах, пройдених у товщі водоносійних пісків (мінімум на кривих ПЕП і гамма-каротажу та максимум на діаграмі ρ_п).

___________________

* Поняття “геофізичні”, “інженерно-геологічні” і “гідрогеологічні” властивості порід є умовними і свідчать тільки про переважне використання їх у цих науках.

Рис.22. Залежність ρ_п пухких порід за різної мінералізації підземних вод від їхнього літологічного складу для природної вологості (1) і повної водонасиченості (2).

Умовні позначення: d_сер - середній діаметр частинок, що складають породи; г - глинястість, п - число пластичності, k_п - коефіцієнт поруватості; k_ф - коефіцієнт фільтрації; В, С, Л - важкі, середні й легкі для відповідних глинистих порід; ДЗ, СЗ, ВЗ - дрібно-, середньо й великозернисті піски.

Зіставлення усіх перерахованих чинників дає змогу дійти висновку, що саме через показник глинястості геофізичні параметри (електричний опір, природна та спричинена поляризаційність, швидкості поширення сейсмічних хвиль і радіо-метричні параметри) пов’язані з фізико-механічними і водно-фізичними властивостями ґрунтів. Прикладом виявленого взаємозв’язку між ρ та η, з одного боку, та кількістю глинястих частинок Г, кутом внутрішнього тертя φ, зчіпленням С і числом пластичності τ, з іншого боку, для одного з районів є наведені нижче рівняння:

Г=-0,37lgη+0,39 (у частках глинястості);

Г=-0,89lgρ+1,39 (у частках глинястості);

τ=-1,17lgρ+2,83 (безрозмірна);

lgφ=-1,48 lgρ+2,95; lgφ=-1,14 lgη+1,14 (у градусах);

С=-1,18 lgρ+2,20 кг/см².

Приблизно однаковий за формою зв’язок для цього ж району виявлений і між швидкістю поперечних хвиль V_s і поруватістю n:

n=0,24/ V_s-0,10 (безрозмірна).

Для інших ділянок одержані приблизно такі ж формули, проте з дещо іншими коефіцієнтами.