Магматические породы - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Теплопроводность обусловлена в основном твердой фазы ввиду большой и малых kп. ср 2,34,3 Вт/(мК).

Закономерных изменений в ряду кислые-ультраосновные не наблюдается (рис. 100).

Рис. 100. Изменение показателя теплопроводности в щелочноземельном ряду магматических пород

Теплопроводность эффузивных пород меньше интрузивных в силу структурных особенностей. Самая низкая теплопроводность у щелочных пород ( 2,04 Вт/(мК)). Наибольшая у кислых вулканитов (кварцевые порфиры) 4,5 Вт/(мК).

Удельная теплоемкость Сm у магматических пород изменяется в пределах от 0,450 до 2,130 кДж/(кгК). Закономерных изменений Сm в ряду кислые-ультраосновные, как и для показателя, не наблюдается (рис. 101).

изменение показателя удельной теплоемкости в щелочно-земельном ряду магматических пород

Рис. 101. Изменение показателя удельной теплоемкости в щелочно-земельном ряду магматических пород

Метаморфические породы

Теплопроводность в метаморфических породах характеризуется более широким диапазоном, чем у магматических пород. Он составляет 0,557,6 Вт/(кг-К). В полиминеральных образованьях ниже, чем в мономинеральных.

Удельная теплоемкость Сm изменяется в метаморфических породах в диапазоне С 3001720 Дж/кг.

Изменения показателей и Сm преимущественно определяются вещественно-петрографическим составом пород и в некоторой степени пористостью.

Осадочные породы

Тепловые свойства осадочных горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения:

    - свойствами и соотношением слагающих их минералов; - соотношением различных фаз; - текстурой породы, ее анизотропией; - структурой порового пространства, формой и размерами пор; - свойствами цемента и др.

Наличие в породах порового пространства, заполненного флюидом, резко осложняет процесс переноса теплоты, складывающегося из кондуктивной теплопередачи внутри отдельной твердой частицы, в местах соприкосновения частиц, а также теплопередачи на поверхности контакта твердая фаза - поровое пространство и конвективной теплопередачи в заполнителе порового пространства.

С уменьшением размеров зерен происходит уменьшение теплопроводности (рис. 102). Однако, это влияние проявляется только в тонкодисперсных средах. Длина свободного пробега фононов в общем случае определяется двумя факторами: рассеиванием фононов на фононах и рассеиванием фононов на границах кристаллов и зерен. Преобладание того или иного фактора определяется соотношением длины свободного пробега фононов lф и размеров зерен dcp. При lф dcp коэффициент теплопроводности не зависит от размеров зерен, а зависит от температуры.

зависимость коэффициента теплопроводности пород от степени их зернистости

Рис. 102. Зависимость коэффициента теплопроводности пород от степени их зернистости

В слоистых средах теплопроводность вдоль слоистости выше, чем перпендикулярно слоистости. Коэффициент анизотропии теплопроводности слоистых горных пород составляет 1,1-1,5.

Тепловые характеристики осадочных пород представлены в табл. 5.

Таблица 5

Тепловые характеристики осадочных пород

Порода

, Вт/(м-К)

А, 10-7м2/с

С, Дж/(кг-К)

Среднее

Пределы

Среднее

Пределы

Среднее

Пределы

Конгломерат

1,92

1,05-3,86

7,89

6,3-11,5

796

754-837

Песчаник

1,81

0,24-4,41

9,58

2-19,72

925

544-1629

Песчаник кварцевый

3,76

2,77-4,4

--

--

-

--

Алевролит

1,65

0,22-3,79

10,4

4,3-16,1

894

322-1466

Аргиллит,

1,32

0,25-3,12

7,84

2,1-11,6

846

508-1004

Глина

1,6

0,12-3,1

5,88

0,51-11,56

1361

419-3546

Доломит

3,24

1,63-6,5

12,44

8,26-16,8

1088

648-1465

Известняк

2,37

0,64-3,7

10,27

3,55-17,28

897

623-1273

Мергель

1,96

0,50-3,61

7,31

3,14-13,89

1908

586-3100

Мел

1,58

0,82-2,22

4.77

3,13-6,2

1935

837-3915

Каменная соль

3,64

1,67-5,5

15,6

11,2-17,7

2557

1447-4651

Полиголит

3,53

2,50-4,56

-

-

-

-

Трепел

1,52

-

-

-

--

-

Опока

1,12

-

-

-

-

-

Торф

0,07

-

16,19

-

1758

-

Уголь

0,45

0,13-2,24

2,19

0,7-7,02

1160

863-1528

Ил, глина,

Песок

0,84

0,61-2,12

4,77

0,44-8,14

1604

755-3190

По значениям тепловых характеристик в осадочных породах можно выделить три группы:

- песчано-глинистые отложения с резко меняющейся теплопроводностью в зависимости от степени литификации осадков;

Плотные хемогенные осадочные отложения (известняки, доломиты, каменная соль) с повышенной теплопроводностью;

Каустобиолиты (торф, угли, углеродистые горючие сланцы) с низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью.

В породах ряда конгломераты - гравелиты - песчаники - алевролиты - аргиллиты наблюдается четкая закономерность: уменьшение теплопроводности с уменьшением размера зерен. Это обусловлено либо возрастанием контактного теплового сопротивления в тонкозернистых породах, либо уменьшением передачи теплоты в пористой среде за счет ослабления конвективного переноса.

В ряду известняк - мергель - глина с ростом глинистости теплопроводность убывает. Характерным для глин является высокая теплоемкость, достигающая значений 3500 Дж/(кгК). В свою очередь доломиты (основной породообразующий минерал доломит CaMg(C03)2) обладают большими величинами тепло - и температуропроводности, чем известняки (основной породообразующий минерал кальций СаС03). Доломиты имеют и более высокую теплоемкость, чем известняки. Это связано с различиями в теплоемкости минералов доломита (0,92-10 Дж/(кгК)) и кальцита (0,04-103 Дж/(кгК)). Теплопроводность плотных известняков составляет 2,54-3,28 Вт/(мК) при ср = 2,91-2,96 Вт/(мК). Глинистые известняки характеризуются значениями теплопроводности

= 2,12-2,43 Вт/(мК). Пониженные значения теплопроводности (1,69 - 2,08 Вт/(мК)) присущи трещиноватым, кавернозным известнякам. У сильно разрушенных известняков-мергелей, а также у глинисто-мергелистого заполнителя карстовых полостей значения, как правило, не превышают 1,10-1,24 и реже 1,41 Вт/(мК). Указанная дифференциация теплопроводности известняков создает предпосылки изучения карста с помощью геотермических исследований.

Диапазон теплопроводности у осадочных пород более широкий, чем у метаморфических пород 0,17,5 Вт/(кгК). Наименьшая = 0,1(уголь, торф), наибольшая =7,5 (каменная соль, влажный песок).

Ряд увеличения :

Глины аргиллиты пески алевролиты известняки доломиты каменная соль.

Для песчаников характерны небольшие вариации.

Удельная теплоемкость осадочных пород Сm варьирует в пределах 4204650 Дж/(кгК).

В заключение следует подчеркнуть, что закономерности пространственных изменений тепловых свойств достаточно сложны. Для их выявления следует учитывать как можно больший набор геолого-геофизических факторов. В качестве примера на рис. 103 показано поле корреляции между составляющей тензора теплопроводности пар (параллельно слоистости) и пористостью для песчаников и алевролитов.

Рис. 103. Корреляционный график между теплопроводностью пар (параллельно слоистости) и пористостью для песчаников и алевролитов

Похожие статьи




Магматические породы - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Предыдущая | Следующая