Анализ теплового потока |
1 |
|
Сергей Владимирович Шиманский К.г.-м.н.
Доцент кафедры геофизики института наук о Земле СПбГУ
Санкт-Петербург
2014
Механизмы теплопереноса |
2 |
|
•Кондуктивный
▫Термодиффузия обусловленная градиентом температур в породах
▫Всегда важна и значительна
•Конвективный
▫Теплоперенос путем циркуляции флюидов
▫Важен при активном гидродинамизме
•Радиационный
▫Генерируется при радиоактивном распаде
▫ Важен в земной коре
3
Термический градиент
• Градиент: измеряет изменение температуры с расстоянием
|
T |
, |
T |
, |
T |
T |
|
|
|
||
|
x |
|
y |
|
|
|
|
|
z |
||
• Единицы измерений: °C/km |
°C/m |
|
°F/ft |
||
•1°F/100ft = 18°C/km 29°F/m = 10°C/km
•Характерные значения:
▫15-20°C/km холодные бассейны
▫30-40°C/km нормальные
▫Более 40°C/km теплые бассейны
Тепловой поток |
4 |
|
•Измеряет количество энергии, протекающей через определенную поверхность:
F E S
•Единицы измерений в бассейновом анализе:
▫mW/m2
▫HFU (heat flow unit) 1 HFU=41.8 mW/m2
•Средние значения:
▫40 - 100 mW/m2 в континентальной коре
▫50 - 300 mW/m2 в океанической коре
Тепловой поток
6
Как описать современный температурный режим?
•Температуры, наблюденные в скважинах, могут описать два физических параметра:
▫Тепловой поток, идущий внутренних оболочек Земли
▫Теплопроводность осадочных пород
•Простой физический закон описывает соотношение температурного градиента и теплового потока для гомогенного слоя:
▫Закон Фурье: HF = Λ . grad T
где: HF = тепловой поток (W/m²)
Λ = теплопроводность (W/m/°C) T = температура (°C)
7
тепловой поток vs. температурный градиент
• |
Изменения градиента: |
|
|
|
T |
|
|
|
|
||
|
▫ Связаны с природой осадочных |
|
high conductivity |
||
|
пород |
|
sands, carbonate |
||
|
▫ Изменяются с глубиной и во |
|
|
|
|
|
|
Low conductivity |
|||
|
времени |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
shales, silts.. |
||
• |
Преимущества использования |
|
|
|
|
|
теплового потока: |
|
|
high conductivity |
|
|
|
|
|
||
|
▫ Позволяет описать различные |
|
|
|
|
|
градиенты одной переменной |
|
|
|
|
|
▫ Может быть экстраполирован во |
z |
|||
|
времени |
|
|
|
|
|
|
HF at the base of sediments |
|||
|
|
|
|
|
|
8
Теплопроводность горных пород
• Вариации теплопроводности горных пород (after Turcotte & Schubert, 1982)
W/m/°K |
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
2.5 |
3 |
3.5 |
4 |
4.5 |
5 |
5.5 |
6 |
shales |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
silts |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sandstones |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
limestones |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dolomite |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
salt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
granite |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
basalt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
peridotite |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• Эффект смешивания:
Гомогенное смешивание: арифметическое среднее |
Напластование: гармоническое среднее |
Зависимость теплопроводности от пористости9
|
Thermal Conductivity / porosity |
|
|
|
|||
|
1.400 |
|
|
|
|
|
|
|
1.300 |
|
|
|
|
|
|
|
1.200 |
|
|
|
|
|
|
|
1.100 |
|
|
|
|
|
|
|
Conductivity |
|
|
|
|
|
|
|
1.000 |
|
|
|
|
|
|
|
0.900 |
|
|
|
|
|
|
|
0.800 |
|
|
|
|
|
|
|
0.700 |
|
|
|
|
|
|
|
0.600 |
|
|
|
|
|
|
|
0.500 |
|
|
|
|
|
(m) |
|
0 |
0.2 |
0.4 |
0.6 |
0.8 |
1 |
|
|
|
|
Porosity |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
• |
Λ = Λ |
Φ . Λ 1-Φ |
|
|
|
|
|
|
w |
|
s |
|
|
|
|
• |
Для одинакового теплового |
|
|||||
потока:
▫На поверхности градиент
55°C/km
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
|
Temperatures (°C) |
|
0 |
50 |
100 |
0 |
|
500 |
|
1000 |
|
1500 |
z(m) |
|
|
2000 |
|
2500
3000
0 |
20 |
40 |
60 |
80 |
Gradient (°C/km)
▫ на 3000m он 33°/km
Вносят вклад в тепловой поток на поверхности10
Радиогенный вклад
0-5 mW/m²
граниты : 20 - 60 mW/m²
базальты : почти 0 mW/m²
перидотит : 0 mW/m²
мантия: 30 - 40 mW/m²