Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 1

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Геофизические методы исследования земной коры

13.2. Принципы теории терморазведки

Теория терморазведки основывается на решении уравнения теплопроводности

$a \left({ \frac{{\partial }^{2} T}{\partial {x}^{2} } + \frac{{\partial }^{2} T}{\partial {y}^{2} } + \frac{{\partial }^{2} T}{\partial {z}^{2} } }\right) = \frac{\partial T}{\partial t},$

(5.1)

характеризующего изменение температуры $T$ по осям координат (x, y, z) во времени $t$ с учетом температуропроводности $a$ .

В теории терморазведки получена следующая формула для расчета вертикального теплового потока:

${q}_{z} = -{\lambda }_{T} \frac{\partial T}{\partial z} + \sigma C{V}_{z} T,$ где $\frac{\partial T}{\partial z} \approx \frac{{T}_{2} -{T}_{1} }{{z}_{2} -{z}_{1} } =\Gamma.$

(5.2)

Здесь $\Gamma$ - температурный градиент или изменение температур $Т_{2}$ и $Т_{1}$ на глубинах $z_{2}$ и $z_{1}$ (ось z направлена вниз по нормали к поверхности); $\lambda_{T}$ - коэффициент теплопроводности; $\sigma$ - плотность; $C$ - теплоемкость; $V_{z}$ - вертикальная скорость конвекции (или скорость фильтрации подземных вод, если считать, что конвекция осуществляется в основном за счет подземных вод); $T$ - температура на глубине $z = ({z}_{1} + {z}_{2} )/2,\; a = {\lambda }_{T} /C\sigma$ . Если конвекция вод идет вверх, что наблюдается в слабопроницаемых слоях на глубинах свыше 100 м, то теплопроводный и конвективный тепловые потоки складываются ( $-V_{z}$ ), при фильтрации вниз - вычитаются ( $V_{z}$ ).

В скальных породах, а также в условиях стационарного теплообмена конвекцией можно пренебречь ( $V_{z}$ ), и тепловой поток равен $q_{z} = - \lambda_{T} \Gamma$ , т.е. он определяется только теплопроводностью пород и температурным градиентом.

Таким образом, региональный тепловой поток Земли может быть рассчитан через измеренные на разных глубинах температуры и тепловые свойства среды, в основном теплопроводность.

Решая уравнение (5.1) с учетом выражения (5.2), можно получить формулу для расчета суммарного теплового потока из недр Земли:

$q_{сум } {q}_{сум} = {\lambda }_{T} \left[{ \frac{{V}_{z}}{a} {T}_{1} - \Gamma e^{{V}_{z} ({z}_{1} -{z}_{2} )/a} }\right],$

(5.3)

где $T_{1}$ - температура на глубине $z_{1}$ ; $\Gamma$ - геотермический градиент на двух глубинах $z_{1}$ и $z_{2}$ ; $V_{z}$ - вертикальная скорость конвекции.

При решении прямых задач терморазведки часто Землю принимают за однородное полупространство с постоянным тепловым потоком $q_{сум}$ .

Решая уравнение (5.1) с учетом выражения (5.3) и граничных условий для тел простой геометрической формы (шар, столб, цилиндр и т.п.) или горизонтально-слоистой среды с разными тепловыми свойствами, можно получить аналитические выражения для аномальных тепловых потоков или температур. При сравнении теоретически рассчитанных кривых с наблюденными выявляются геотермические аномалии, количественная интерпретация которых позволяет оценить положение, глубины залегания аномалообразующих локальных объектов.

13.3. Тепловые и оптические свойства горных пород

Кроме перечисленных выше ( $\lambda_{Т} , С, \sigma , а$ ), к тепловым свойствам относят тепловую инерцию $Q = \sqrt{\lambda_T C\sigma }$ , а к оптическим - альбедо $A$ , коэффициент яркости $r_{\lambda }$ , степень черноты $\epsilon_{ \lambda }$ и др.

Основным параметром в терморазведке является теплопроводность, характеризующая способность сред и горных пород передавать тепло. В теории терморазведки доказано, что при температурах до 1000 $^\circ$ 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 (в среднем 0,3) 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. Она 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. У различных горных пород она изменяется в пределах (4 - 10)*10^-7 м² /c.

Тепловая инерция пород [Дж/(м²*с^1/2*K), где K - градусы Кельвина] является одной из обобщенных тепловых характеристик земной поверхности. Она используется при тепловых аэрокосмических съемках и характеризует суточный ход температур над разными ландшафтами и акваториями. Породы со слабой тепловой инерцией (сухие почвы и пески) характеризуются низкими ее значениями $Q \lt$ 500 Дж/м²с^1/2К и большим колебанием суточных температур (до 60 $^\circ$ С). Породы и среды с высокой тепловой инерцией (обводненные породы, заболоченные участки) характеризуются значениями $Q$ до 3000 Дж/м²с^1/2К и суточным изменением температур до 30 $^\circ$ С. Над акваториями крупных рек, морей и океанов $Q \gt$ 10000 Дж/м²с^1/2К, 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 опыта 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; при проведении тепловых расчетов с целью установления зависимостей тепловых свойств от физических, геологических, водно-коллекторских параметров.

К оптическим свойствам горных 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 при длине волны $\lambda$ меньше плотности излучения абсолютно черного тела при той же температуре, и др. Эти свойства играют основную роль при инфракрасной съемке.

14. Методы терморазведки

14.1. Аппаратура для геотермических исследований

Для геотермических исследований используют разного рода тепловизоры, термометры, термоградиентометры и тепломеры.

14.1.1.Тепловизоры.

Для аэрокосмических и полевых радиотепловых и инфракрасных съемок изготовляют тепловизоры, работающие в тех или иных участках спектра длин электромагнитных волн от микрометрового до миллиметрового диапазона. Фоточувствительным элементом (фотодетектором) тепловизора являются особые кристаллы, чувствительные к электромагнитному излучению определенных длин волн. Для достижения высокой чувствительности (доли градуса) и безынерционности кристаллы должны находиться при очень низких температурах ( < -203 $^\circ$ C). С этой целью их помещают в охлаждающее устройство на жидком азоте или гелии. Измеренные излучения преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются и трансформируются в такую форму, чтобы их можно было передать на экран телевизора или на фотопленку, как при обычных фототелевизионных съемках.

В портативных переносных тепловизорах температуры фиксируются на цифровых индикаторах. Существуют также приборы с записью на магнитную ленту. Тепловизоры-спектрометры содержат устройства для спектрального разделения принятых излучений и последующей их обработки с помощью ЭВМ. В тепловизорах для аэрокосмической съемки имеется сканирующее электронно-механическое устройство для развертки фотодетектора перпендикулярно к направлению полета, чтобы осуществить развертку изображения по строкам и кадрам, т.е. провести обзорную съемку.

14.1.2. Термометры.

При терморазведке температуру пород или воды измеряют с помощью скважинных (шпуровых) или донных термометров. Чувствительным элементом таких термометров являются термочувствительные сопротивления или термисторы, включаемые в мостиковую схему, которая работает на постоянном токе. Изменение температуры окружающей среды приводит к разбалансу "моста", появлению в нем пропорционального изменения тока. В термоградиентометрах имеется несколько чувствительных элементов, расположенных на расстояниях 1 - 2 м друг от друга. С помощью электрических схем измеряют разности температур между ними. Тепломеры, построенные на базе термометров, служат для оценки тепловых потоков. Сигналы, полученные со скважинного или донного термометров, усиливаются и по кабелю передаются на автоматические регистраторы, как и в серийных каротажных станциях для геофизических исследований в скважинах (см. 17.2).

Назад| Вперед

Публикации с ключевыми словами: геофизика - Земля - земная кора
Публикации со словами: геофизика - Земля - земная кора

См. также:

Замерзшие пузыри метана в озере Байкал

Земля из межпланетного пространства

Заход Земли с "Ориона"

Противосумеречные лучи и фестиваль планет

Восход Земли: видео

Ударный кратер Маникуаган: вид из космоса

Земля и Луна: вид с другой стороны

Все публикации на ту же тему >>

Мнения читателей [5]

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце