Характеристика тепловых свойств горных пород

К тепловым свойством природных объектов относятся теплопроводность λ, единица измерения которой Вт/м*К и удельная теплоемкость С, измеряемая в единицах Дж/кг*К.

1) Теплопроводность (λ)– направленный процесс распределения теплоты, приводящий к выравниванию температуры среды:.

(79), где

q –удельный тепловой поток, grad T –градиент температуры.

2) Удельная теплоёмкость С – величина характеризующая теплоёмкость тела массой m, при увеличении температуры на 1° при действии количества теплоты Q. Единица измерения Дж/кгּК.

(80), где

m – масса тела, Q – количество теплоты, T₂–T₁ – изменение температуры тела.

 

Твердая фаза

Теплопроводность минералов изменяется в пределах 0,3 (сера)¸420 (серебро) Вт/м·К и зависит от минерального состава, формы, размеров и пространственных ориентации кристаллов или зерен, температуры и давления. Примерный ряд убывания l для минералов:

Группы минералов l, Вт/мּК.

Графит, алмаз 120

Сульфиды 20

Оксиды 10

Хлориды 6

Карбонаты 4

Силикаты 3,5

Сульфаты 2,8

Нитраты 2

Сера, селен 0,8

Теплоемкость минералов изменяется в пределах 0,125¸4 кДж/кгּК и С зависит от их химического состава и структуры. Так как плотность (d) также определяется составом и структурой, то наблюдается тесная связь С и d (Рис. 113).

Рис. 113. Взаимозависимость плотности и теплоемкости для основных групп

Породообразующих минералов

Жидкая фаза

Теплопроводность воды в нормальных атмосферных условиях составляет l =0,582 Вт/м·К. При увеличении температуры t до 100° l возрастает до»0,7, а затем падает, так как уменьшается притяжение между молекулами. При увеличении давления l возрастает и увеличивается с ростом концентрации солей.

Теплопроводность нефти при t =20° составляет l»0,13¸0,14 Вт/м·К. l убывает в породах при увеличении нефтенасыщенности и увеличивается с ростом давления.

Теплоемкости воды и нефти составляют:

С_{вод ы}= 4 кДж/кгּК, С_нефти = 1,8-2,7 кДж/кгּК.

 

Газовая фаза

Средние значения теплопроводности воздуха и природных газо в следующие:

l_{воздуха} = 0,02441 Вт/м·К, l_метана = 0,034Вт/мּК, l_этана = 0,021 Вт/мּК. Эти значения возрастают с ростом температуры и давления.

Теплоемкость воздуха и природных газо в характеризуется следующими показателями: С_{воздуха} = 1 кДж/кг·К, С_{метана и этана} = 2,6¸3,6 кДж/кг·К.

 

Магматические породы

Теплопроводность магматических пород в щелочноземельном ряду от кислых к ультраосновным вначале несколько уменьшается, а затем увеличивается, что обусловливается не только некоторым уменьшением пористости, но и их разным вещественно-петрографическим составом (рис. 114).

 

 

Рис. 114. Изменение теплопроводности в щелочноземельном ряду магматических пород

 

 

l эффузивных пород меньше l интрузивных в силу структурных особенностей. Самая низкая l у щелочных пород» 2,04 Вт/мּК, а наибольшая l у кислых вулканитов (кварцевые порфиры)»4,5 Вт/мּК.

Теплоемкость магматических пород в щелочноземельном ряду наибольшая у диоритов (С = 1,23 кДж/кг·К) и примерно одинаковая у гранитов и пироксенитов (С = 0,93 кДж/кг·К) (рис. 115).

 

Рис. 115. Изменение теплоемкости в щелочноземельном ряду магматических пород

 

 

Метаморфические породы

 

Теплопроводность характеризуется более широким диапазоном, чем у магматических пород (l» 0,55¸7,6 Вт/кг·К). В полиминеральных образованьях l ниже, чем в мономинеральных.

Теплоёмкость метаморфических пород несколько ниже, чем у магматических и изменяется в пределах 0,3¸1,72 кДж/кг·К.

 

Осадочные породы

Теплопроводность и теплоёмкость осадочных пород характеризуются более значительными вариациями, нежели у кристаллических пород, что связано не только с их литологическим составом, но и влиянием эпигенетических преобразований. Диапазоны этих показателей для l (0,1¸ 7,5 кДж/кг·К) и для С (0,42¸4,65 кДж/кг·К). Прослеживается тенденция уменьшения l и увеличения С для следующих групп осадочных пород: 1) терригенно-глинистые, 2) плотные карбонатно-солоноватые и кварцевые породы, 3) каустобиолиты (торф, угли, горючие сланцы).

Для литологических разностей одноименных стадий преобразования ряд увеличения l и уменьшения С следующий:

угли ® глины ® аргиллиты® пески ® алевролиты ® известняки ® доломиты ® каменная соль.

 

Для одних и тех же литотипов, в частности терригенных пород, с возрастанием степени окаменения теплопроводность увеличивается, а теплоемкость уменьшается, притом, что сильно влияет обводненность пород и соленость подземных вод.

К оптическим свойствам пород относятся: альбедо, характеризующее отражательные свойства поверхности (%); коэффициент яркости, т. е. отношение яркости поверхности в рассматриваемом направлении к яркости белой идеально рассеивающей поверхности; степень черноты, показывающая, во сколько раз плотность излучения данного объекта меньше плотности излучения абсолютно черного тела при той же температуре, и др. Эти свойства оказывают влияние на результаты инфракрасной съемки.