Тепловые и оптические свойства горных пород.

К тепловым свойствам горных пород относятся коэффициент теплопроводности (Л?), теплоемкость с, плотность сг, температуропроводность а и тепловая инерция G к оптическим — альбедо А, коэффициент яркости г А,, степень черноты еХ и др..

Основным параметром в терморазведке является коэффициент теплопроводности или просто теплопроводность Xj, характеризующая способность сред и горных пород передавать тепло. Она определяется как отношение количества теплоты Q, перенесенного через единичную плоскую поверхность площадью S, нормальную к вектору единичного градиента температуры ко времени t, в течение которого эта теплота перенесена:

Л= ^Q (6.1)

rst

и единицей ее измерения является Ватт на метр-кельвин (1 Вт/(м К)). В формуле (6.1)

т/тт гр гр

Г — d «—T 2--- геотермический градиент или изменение температур Т2 и T1 на

dz z₂ — z1

глубинах z2 и z1 (ось Z направлена вниз по нормали к поверхности земли).

В теории терморазведки доказано, что при температурах до 1000 °С теплопроводность обратно пропорциональна температуре. В связи с этим средняя теплопроводность до глубин около 100 км, где ожидаются такие температуры, понижается примерно в 3 раза по сравнению со средней теплопроводностью поверхностных отложений.

На глубинах свыше 100 км теплопроводность постепенно повышается, что объясняется ростом с глубиной давления и лучистого теплообмена. Эта зона пониженной теплопроводности в мантии служит препятствием для оттока тепла к поверхности и способствует возрастанию температур с глубиной.

В целом теплопроводность горных пород зависит от минерального состава, структуры, текстуры, плотности, пористости, влажности, температуры. Минеральный состав магматических, метаморфических и осадочных пород не очень влияет на их теплопроводность. Плотность, пористость и давление, под которым находятся горные породы, связаны между собой. При повышении плотности и давления, а значит, понижении пористости теплопроводность пород повышается. С увеличением влажности горных пород их теплопроводность резко увеличивается. Например, изменение влажности с 10 до 50 % может увеличить теплопроводность в 2—4 раза. Повышение температуры снижает теплопроводность кристаллических и сухих осадочных пород и увеличивает у водонасыщенных. В целом влияние различных, иногда взаимно противоположных природных факторов, на теплопроводность горных пород весьма сложно и недостаточно изучено. Магматические и метаморфические породы обладают коэффициентом теплопроводности 0,2 - 0,4 Вт/(м град), осадочные - 0,03 - 0,5 (в среднем 0,125) Вт/(м град), нефтегазонасыщенные - меньше 0,05 Вт/(м град).

Теплоемкостью горных пород объясняется их способность поглощать тепловую энергию. Эта величина определяется как отношение теплоты, необходимой для нагревания тела, к разности Δt температур тела:

C_v = Q/At. (6.2)

Единицей измерения теплоемкости является Дж/К. Джоуль на кельвин равен теплоемкости тела, температура которого повышается на 1 К при подведении к телу количества теплоты 1 Дж.

Теплоемкость отличается сравнительным постоянством и возрастает с увеличением водонасыщенности. У магматических и метаморфических пород при обычных температурах теплоемкость изменяется в пределах (0,6—0,9)* 10³ Дж/(кг-град), у осадочных— (0,7— 1)*10³ Дж/(кг-град), у металлических руд—(0,9—1,4)*10³ Дж/(кг-град). С ростом температуры она увеличивается.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температур при поглощении или отдаче тепла. Эта величина определяется как скорость выравнивания температуры в среде при нестационарной теплопроводности и численно равна отношению теплопроводности Xj к объемной теплоемкости С_v при постоянном давлении:

a =)JC_V. (6.3)

Единицей ее измерения является 1 м2/с.

У различных горных пород она изменяется в пределах (4—10) 10-⁷ м²/с.

Тепловая инерция пород [Дж/(м² с¹² К), где К — градусы Кельвина] является одной из обобщенных тепловых характеристик земной поверхности. Она используется при тепловых аэрокосмических съемках, определяется по формуле:

(6.4) 176

и характеризует суточный ход температур над разными ландшафтами и горными породами.

Породы со слабой тепловой инерцией (сухие почвы и пески) характеризуются низкими ее значения G ≤ 500 Дж/(м²-с^1/2'К) и большим колебанием суточных температур (до 60 °С). Породы и среды с высокой тепловой инерцией (обводненные породы, заболоченные участки) характеризуются значениями G до 3000 Дж/(м²-с1/²-К) и суточным изменением температур до 30 °С. Над акваториями крупных рек, морей и океанов G > 10 000 Дж/(м²-с1/2 -К), а суточный ход температур составляет несколько градусов.

Перечисленные тепловые свойства горных пород определяют лабораторными методами. Для этого образцы горных пород помещают в плоские, цилиндрические или сферические датчики, через которые пропускают стационарный или импульсный тепловой поток от источника тепла. Измеряя прошедший поток, градиент температур за время измерений и зная геометрические размеры датчика, можно определить тепловые свойства пород.

Знание тепловых свойств горных пород необходимо для интерпретации результатов термометрии скважин и донных осадков; при глубинных геотермических исследованиях; выявлении тех или иных полезных ископаемых; проведении тепловых расчетов с целью установления зависимостей тепловых свойств от физических, геологических, водно-коллекторских параметров.

Оптические свойства пород — 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 при длине волны λ меньше плотности излучения абсолютно черного тела при той же температуре, и др. — играют основную роль при инфракрасной съемке.