6.2 Определение теплофизических свойств

Измерения теплофизических свойств горных пород и минералов в лабораторных условиях выполняют с помощью большого числа разных способов.

В качестве примера разберем так называемый бесконтактный способ. Это один из современных квазистационарных методов измерения тепловых свойств пород, разработанный на кафедре физики МГГА Ю.А.Поповым. Способ заключается в нагреве поверхности движущегося образца горной породы с помощью лазера с последующей регистрацией температуры ИК-радиометром. Лазер и ИК-радиометр закреплены неподвижно относительно друг друга, подвижная платформа с закрепленными образцами горной породы перемещается с постоянной скоростью от 0,3 до 1,0 см/с. Это обеспечивает непрерывное измерение на движущемся образце предельной температуры зоны равномерного нагрева Т_пр:

T_пр = q/(2x) (5.3)

где q - мощность источника тепловой энергии; х - расстояние от поверхности нагрева до дистанционного датчика температуры.

Измеряемая теплопроводность образца _oб равна:

(5.4)

где _об - коэффициент теплопроводности эталонного образца; Т_пр.э и Т_пр.об - предельные температуры эталона и исследуемого образца.

Малая мощность источника энергии и очень ограниченная область разогрева благоприятны для изучения этим способом влагонасыщенных грунтов. Производительность установки весьма высокая и составляет 250-300 измерений в смену.

6.4 Тепловые свойства минералов и горных пород

5.4.1 Минералы

Теплопроводность. Преимущественно минералы и горные породы - плохие проводники тепла,  = 0,1-20 Вт/(мК). Относительно высокой теплопроводностью характеризуются самородные и некоторые рудные минералы: медь, золото, гематит, сфалерит до 500 Вт/(мК), далее следует алмаз -121-163 Вт/(мК), замыкают ряд сульфиды - 19, окислы- 12, фториды и хлориды - 6, карбонаты и силикаты - 4, сульфаты - 3,3, нитраты - 2,1, самородные неметаллы сера и селен - 0,85 Вт/(мК) (табл. 5.1, рис. 5.1).

Из числа породообразующих минералов сравнительно высокой теплопроводностью обладает кварц,  = 7-13 Вт/(мК), поэтому теплопроводность интрузивных пород повышается в ряду от основных к кислым.

Хемогенные осадки - каменная соль, сильвин, ангидрид - имеют повышенную по сравнению с другими неметаллами теплопроводность порядка 6 Вт(Дм-К).

Теплопроводности углей и торфа невысокие - в пределах 0,07-2,24 Вт/(мК).

Теплоемкость. По имеющимся сведениям, значения удельной массовой теплоемкости при постоянном давлении в Дж/(кгК) нарастают в такой последовательности (табл. 5.1):

- самородные металлы - платина, золото, висмут, медь, и др. 130-450;

- сульфиды - галенит, киноварь и др.– 210-600;

- окислы – 220-1000 (лед, вода даже до 2000-4000);

- силикаты – 500-980;

- сульфаты – 350-1500.

Низкие значения коэффициента удельной теплоемкости обусловлены присутствием тяжелых элементов с низкой удельной теплоемкостью, а повышенные - характерны для минералов с увеличенным содержанием элементов малой плотности (особенно воды и водорода).

Рис. 5.1. Интервалы типичных значений коэффициентов теплопроводности некоторых минералов и горных пород (заштрихованы)

Наблюдается достаточно тесная связь между удельной массовой теплоемкостью минералов и плотностью (рис. 5.2): с уменьшением плотности минералов их теплоемкость возрастает.

Рис. 5.2 - Корреляция между значениями удельной теплоемкости с и плотности  различных минералов (заштрихована область наиболее вероятных значений этих параметров)

Коэффициент линейного теплового расширения  уменьшается с увеличением энергии кристаллической решетки и, соответственно, плотности минералов от 10^-4 до 10^-6 К^-1. Высокими значениями этого параметра характеризуются S - 810^-5 К^-1, NaCl - 410^-5 К^-1, слюда, флюорит и кварц - 1,310^-5 К^-1. Некоторые кристаллы имеют различное тепловое расширение в разных кристаллографических направлениях, например диопсид, роговая обманка, кварц, кальцит. Коэффициенты линейного расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом.