6.2 Теплофізичні параметри елементів, мінералів, і гірських порід.

Тепловий режим земної кори залежить головним чином від теплопровідності мінеральної речовини. Інші теплофізичні властивості (його температуропровідність, теплоємність, теплове розширення) відіграють меншу роль у формуванні теплового режиму і використовуються в геології і геофізиці значно рідше.

Теплофізичні параметри елементів і мінералів. Для самородних елементів (таблиця 6.2) характерні високі значення теплопровідності (за винятком сірки), у той час як питома теплоємність самородних металів є мінімальною стосовно гірських порід. Висока теплопровідність самородних елементів зв'язана з тим, що теплова енергія в них передається через тверду фазу безпосереднім зіткненням молекул, атомів і іонів, що знаходяться в тепловому русі, чи дифузією вільних електронів (у самородних металах).

Більшість мінералів, що складають гірські породи, можна розглядати як однофазні тверді системи, у яких вирішальне значення має гратчаста теплопровідність. У порівнянні із самородними елементами мінерали мають значно меншу теплопровідність. Теплопровідність породотвірних мінералів вивержених порід нижче, ніж акцесорних і рудних. Породотвірні мінерали метаморфічних порід (сподумен, андалузит, кіаніт і ін.) у порівнянні з породотвірними мінералами інтрузивних утворень мають значно більшу теплопровідність.

Таблиця 6.2

Теплопровідність і теплоємність самородних елементів

Елемент	, Вт/(мК)	с, Дж/(кгК)
Мідь (монокристал)	396,0	384,6
Золото	310,0	125,6
Срібло	418.0	228,4
Свинець	36,0	125,4
Ртуть	8,0	138,1
Залізо	78,0	459,6
Платина	71,15	125,6
Цинк (монокристал)	128,4	380,3
Олово	65,0	230,0
Кобальт	69,5	—
Нікель	67,0	—
Алмаз (монокристал)	121,0 –163,0	418,0
Графіт	268,0	720,0
Сірка:
монокристалічна	0,46-0,48	—
аморфна	0,209	—

Для мінералів кубічної, гексагональної і деяких інших сингоній відношення величин теплопровідності уздовж оптичних осей а, b іс близько до одиниці.

Для більшості мінералів теплопровідність у різних напрямках (уздовж шаруватості і перпендикулярно до неї) істотно різна

Теплопровідність кристалів зумовлюється коливаннями кристалічних ґрат. Теоретичні дослідження й експерименти показують, що інтенсивність переносу тепла фононами в кристалах залежить від хімічного складу, щільності, температури, кристалографічного напрямку, міжатомних відстаней, наявності дефектів у кристалічній структурі й інших факторів. При цьому перенос тепла за допомогою фононів здійснюється переважно через аніонний кістяк решіток більшості породотвірних мінералів. Зі збільшенням міжатомних відстаней відбувається зменшення теплопровідності в мінералах як з ковалентним, так і з іонним зв'язком. У загальному випадку зменшення компактності структури кристалів приводить до зменшення теплопровідності. Порушення (дефекти) кристалічної структури мінералів приводять також до зменшення теплопровідності.

Теплофізичні параметри гірських порід. Наявність у гірських породах міжзернового простору, заповненого повітрям, водою, чи нафтою, льодом, різко ускладнює процес переносу тепла, що складається з: кондуктивної теплопередачі (теплопровідності) усередині окремої твердої частинки, мінералу, між ними в місцях їхнього зіткнення, усередині міжзернового середовища; теплопередачі на границях твердих часток із середовищем; випромінювання від частки до частки і конвективної теплопередачі в газоподібному чи рідкому середовищі.

У дисперсних середовищах, у ролі яких виступають багато гірських порід, фактором, що визначає їхню теплопровідність, є, крім властивості твердого кістяка, теплоізолюючі особливості міжзернового середовища. Ці речовини, так само як і нафта [=0,14Вт/(мК)], відрізняються низькою теплопровідністю. Для повітря характерно значне збільшення провідності тепла при підвищенні температури і тиску.

Осадові породи.Серед осадових відкладів найменшою теплопровідністю виділяються слаболітифіційовані, насичені вологою морські та океанічні глибоководні відкладення (глобігиринові, сапропелеві й інші мули і глини), для яких є великий матеріал практично по всіх океанічних западинах.

Знижена теплопровідність середовища, що заповнює, є головною причиною значних коливань теплофізичних характеристик осадових відкладень, що різко розрізняються пористістю, вологонасиченістю в залежності від умов утворення, ступеня літифікації, діагенезу й інших особливостей. Значення теплофізичних характеристик осадових порід приведені в таблиці 6.3.

Таблиця 6.3