Изучение теплофизических характеристик интрузивных горных пород тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Бведение . . •

Глава I. Строение, состав и тепловые свойства литосферы ( краткий обзор ).

§1.1 Строение и состав литосферы •

§1.2 Исследование теплофизических свойств магматических горных пород

§1.3 Тепловые свойства литосферы

Глава 2. Метод. Аппаратура

§2.1 Краткая теория метода

§2.2 Экспериментальная схема

§2.3 Опробывание методики и экспериментальной схемы.

Глава 3. Результаты измерений тепловых свойств магматических горных пород и их обсуждение

§3.1 Тепловые свойства кварцесодержащих интрузивных пород

§3.2 Породы основного состава

§3,3 Ультрабазиты

Глава 4. Тепловые свойства литосферы.

§4.1 Теоретические предпосылки оценки теплопроводности в литосфере

§4.2 Модели распределения тепловых параметров в литосфере . ИЗ

Вывода

Одной из основных задач геофизических исследований является получение наиболее достоверной информации о физическом состоянии вещества, слагающего недра нашей планеты. В этом плане особое значение придается экспериментальным работам, среди которых определение теплофизических характеристик горных пород при термодинамических условиях залегания различных слоев Земли имеет определенную актуальность и значимость. Прежде всего, такие исследования дают возможность прогнозировать тепловые характеристики на всей толще слоя. Это крайне важно, поскольку тепловые параметры, характеризуя интенсивность переноса переноса тепла, участвуют в управлении тепловым режимом недр и в значительной степени определяют скорость и направленность многих геофизических и геохимических процессов, включая и собственно процессы нагрева и охлаждения, то-есть термическую историю Земли. С этой точки зрения литосферному слою Земли отводится существенная роль. Кроме того, значение тепловых характеристик горных пород необходимо при решении различных практических задач, связанных с эксплуатацией верхнего слоя литосферы и, в частности, с использованием собственного тепла Земли или тепла термальных вод.

За последние два десятилетия исследователями выполнено значительное число работ, посвященных определению тепловых характеристик пород и минералов. Однако, анализ литературных источников по этому вопросу показал, что слабо изучена температурная зависимость свойств, особенно в области высоких температур, недостаточно исследована температуропроводность и теплоемкость пород. Объекты изучения, как правило, представляли собой единичные образцы, взятые из различных регионов Земли, а сами измерения, выполненные различными методами с различной точностью, представлены часто в литературе без указания минерального состава, месторождения, плотности и других необходимых при анализе данных. Такое положение затрудняет систематизацию имеющихся материалов и ограничивает возможность использования его для изучения поведения тепловых свойств пород от различных факторов и, прежде всего, от температуры, состава и структуры.

Изложенная ситуация отразилась и на результатах по прогнозированию распределения тепловых параметров в литосфере. Прогноз носит, в основном, случайный характер, обоснованные модели распределения тепловых свойств по глубине практически отсутствуют, что подтвердило актуальность проведения исследований в этом направлении.

Отбор материала для изучения был основан на анализе современных данных по строению и составу литосферы Земли, вернее наиболее протяженных и однородных ее частей: стабильных континентальных областей и областей океанических бассейнов. При этом учитывалось, что полученный экспериментальный материал должен служить базой для оценки тепловых характеристик на всей толще литосферы. Такой анализ позволил наметить три основные группы интрузивных магматических пород, минеральный состав которых предположительно соответствует составу слоев континентальной и океанической литосферы. В свою очередь, изучение литературных источников по определению тепловых свойств этих пород помогло определить условия экспериментов, позволяющих в какой-то мере заполнить существующие пробелы. Эти условия сводились к тому, что измерения должны проводиться в широком температурном интервале, комплексно и на представительных группах образцов намеченных типов пород, взятых по возможности из одного района. Первое условие позволяет приблизиться при измерениях к температурному режиму залегания пород и тем самым открывает возможность последующего прогнозирования тепловых характеристик литосферы. Второе - дает возможность получить ста-тистически-осредненные данные и в то же время исключить влияние генетического фактора на тепловые свойства при изучении зависимости их от минерального состава и других параметров.

Таким образом, существо работы сводилось к трем основным частям:

- выбор метода исследований, сборка и отладка экспериментальной установки;

- проведение измерений и их анализ;

- построение моделей распределения тепловых свойств на толще континентальной и океанической литосферы.

Результаты, полученные по каждой из этих частей изложены соответственно в главах 2, 3, 4 настоящей работы, представленной на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

- 129 -ВЫВОДЫ

1. На базе метода плоских температурных волн и низкотемпературного варианта установки, принятых в качестве Государственного Стандарта СССР, собрана и освоена установка, позволяющая проводить измерения комплекса тепловых свойств горных пород и минералов до температур 1000 К и выше.

2. Применен фазово-частотный способ исключения влияния теплообмена излучением с поверхности образца на результаты измерений. Необходимые для этого соотношения получены из решения тепловой задачи, учитывающей особенности экспериментальной схемы.

3. Проведены измерения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости трех наиболее распространенных групп интрузивных горных пород и изучено поведение этих свойств в интервале температур 300 * 1000 К. Подчеркивается, что,хотя характер температурных зависимостей может быть объяснен в рамках современных представлений теории теплоемкости и теплопроводности кристаллического диэлектрика, для сложных кристаллических соединений он имеет свою специфику.

4. Исследованы особенности связи теплопроводности и температуропроводности пород ряда гранит-диорит с процентным содержанием в них кремниевой кислоты.

5. Оценено влияние степени серпентинизации на тепловые характеристики ультрабазитов. Показано, что серпентинизация существенным образом снижает теплопереносные свойства породы.

6. На основе полученного экспериментального материала с привлечением минералогических и сейсмических ( РЕМ ) моделей построены модели распределения тепловых свойств в континентальной и океанической литосфере. Отмечается значительное из

- 130 менение теплопроводности при переходе границ Конрада и Мохо-ровичича и достаточно высокие значения ее у подошвы литосферы по сравнению с данными более ранних оценок.

- 131

1. Альбер-Бертран Х.Ф. Данные о тепловом потоке и температур-ном градиенте в Испании.- В сб. "Тепловое поле Европы", М., 1982, с. 226-231.

2. Аталла С.Р., Банчила С.Н., Дозорова Н.П., Филиппов Л.П.

3. Об измерении комплекса тепловых свойств металлов при высоких температурах методом периодического нагрева.-М., Вестник МГУ, серия 3 ( физика, астрономия ), 1972, т. 13, № 6, с. 638-643.

4. Баллинг Н. Глубинные температуры и оценки теплового потокав Дании. В сб. "Тепловое поле Европы", М., 1982, с. 210-222.

5. Белоусов В.В. Земная кора и верхняя мантия континентов.1. М., Наука, 1966, 122 с.

6. Белоусов В.В. Земная кора и верхняя мантия океанов. М.,1. Наука, 1968, 254 е.

7. Белоусов В.В. Комплексные исследования земной коры и верхней мантии. Итоги и перспективы. Вестник АН СССР, 1982, № 3, с. II0-II4.

8. Бевзюк М.И., Геращенко О.А., Грищенко Т.Г., Кутас Р.И. Новый способ определения коэффициента теплопроводности горных пород в скважинах. Промышленная теплотехника, 1980, т. 2, № 4, с. 99-102.

9. Березкин М.А. Термические свойства горных пород. Отчеткаф. физики Ленинградского электротехнического ин-та им. Ульянова ( Ленина ), Л., 1946.

10. Бёрч Ф., Шерер Д., Спайсер Г. Справочник для геологов по физическим константам. М., И - Л., 1949, с. 209 -248.

11. Бёрч Ф. Физика земной коры. Земная кора, М., Й-Л., 1957,с. 114-129.

12. Боганик Н.С. Распределение температур на поверхности мантии в пределах континентальной части территории , СССР. Советская геология, 1980, № 5, с. II4-I23.

13. Ботт М. Внутреннее строение Земли. М., Мир, 1974, 6.4289.

14. Бриджмен П. Физика высоких давлений. M-JI., ОНТИ, 1935,с. 311-334.

15. Буачидзе Г.И. Распределение температуры в земной коре врайоне Западного Кавказа. В сб. "Тепловое поле Европы", М., 1982, с. 302-311.

16. Величу С., Демитреску К. Тепловой поток в Румынии и егосвязь с геологическими и геофизическими характеристиками. В сб. "Тепловое поле Европы", М., 1982, с. 276-285.

17. Волкова Н.А., Веселов О.В., Кочергин А.А. Жеплопроводностъгорных пород охотоморского региона. В сб. "Геофизические поля переходной зоны Тихоокеанского типа", Владивосток, 1981, с. 44-50.

18. Девяткова Е.Д., Петров А.В., Смирнов И.А., Мойжес Б.Я.

19. Плавленный кварц как образцовый материал при измерении теплопроводности. Физика твердого тела, I960, т. II, вып. 4, с. 738-744.

20. Дмитриев А.П., Кузяев Л.С., Протасов Ю.И., Ямщиков B.C.

21. Физические свойства горных пород при высоких температурах. М., Недра, 1969, с. 146-154.

22. Дударев А.Н^, Кудрявцев В.А., Меламед В.Г., Шарапов В.Н.

23. Теплообмен в магматогенню процессах. Новоси- 133 бирок, Наука, СО АН СССР, 1972, 123 е.

24. Дударев А.Н., Тычинский А.А. Теплофизический анализ лиственитов и процесса лиственизации. Труды ин-та Геологии и Геофизики СО АН СССР, 1972, вып. 114, с. 218-241.

25. Дучков А.Д., Соколова Л.С. Температура у нижней границыземной коры Сибири по геотермическим данным. В сб. "Геофизические методы в региональной геологии", Тр. ин-та Геологии и Геофизики СО АН СССР, 1982, с. II8-125.

26. Жарков В.Н., Трубицин В.П., Самсоненко Л.В. Физика Землии планет. Фигуры и внутреннее строение. М., Наука, 1971, 383 е.

27. Жарков В.Н. О коэффициенте теплопроводности оболочка Земли. Изв. АН СССР, сер. геофизич., 1958, № II, с. I342-1350.

28. Кутас Р.и. Геотермическая модель земной коры Украинскогощита. В сб. "Тепловое поле Европы", М., 1982, с. 294-302.

29. Краев О.А., Стельмах А.А. Температуропроводность и теплопроводность металлов при высоких температурах.

30. В сб. "Исследования при высоких температурах", Новосибирск, Наука, СО АН СССР, 1966, с. 55-7f.

31. Лебедев Т.С., Шаповал В.И., Правдивый А.А. Теплофизические измерения минерального вещества при высоких давлениях и температурах. Геофизический журнал, 1979, т. I, № 2, с. 17-26.

32. Лейбфрид Г. Макросколическая теория механических и тепловых свойств кристаллов. М-Л., Физматгиз, 1963, 312 е.

33. Любимова Е.А., Старикова Г.Н. Лабораторные и теоретические исследования и использование тепла Земли. В кн. "Геотермические исследования и использование тепла Земли", М., Наука, 1966, с. 135-149.

34. Маева С.В. О термической истории Земли. Известия АН

35. СССР, Физика Земли, 1967, № 3, с. 3-17.

36. Магницкий В.А. Слой пониженных скоростей верхней мантии

37. Земли. М., Наука, 1968, 29 е.

38. Магницкий В.А., Петрунин Г.И., Юрчак Р.П. Поведение температуропроводности некоторых полевых шпатов и плагиоклазов при температурах 300 1200 К. - Доклады АН СССР, т. 199, № 5, с. 1058-1060

39. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.,1. Недра, 1965, 379 е.

40. Мартиросян В.Б., Журин И.В. Определение теплофизическихсвойств горных пород ствола скважин. Нефтяное хозяйство, 1968, № 4, с. 12-14.

41. Моисеенко У.Н., Соколова JI.C., Истомин В.Е. Электрические и тепловые свойства горных пород. Новосибирск, Наука, 1970, 67 е.

42. Масленников А.И. Исследование влияния давления и температуры на теплопроводность горных пород ( сухих, во-до- и нефтегазонасыщенных ). 01.04.12. - Геофизика, Автореферат кандид. дисс., М., 1977.

43. Москалева С.В. 0 возможной природе поверхности Мохоровичича. В сб. "Проблемы строения земной коры и верхней мантии", М., Наука, 1970, № 7, с. 235-243.

44. Москалева С.В. Влияние вторичных изменений на физическиесвойства ультраосновных пород. Тезисы II Уральского петрографического совещания, Свердловск, 1966.

45. Пайерлс Р. Квантовая теория твердых тел. М., И-Л.,1956, 259 е.

46. Петрова Г.Н., Печерский Д. М. Магнитные характеристикибазальтов и перидотитов рифтовой зоны Индийского океана. В кн. "Проблемы строения земной коры и верхней мантии", № 7, М., Наука, 1970, с. 244-249.

47. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П., Ткач Г.Ф. Температуропроводность базальтов при температуре 300 1200 К. -Известия АН СССР, Физика Земли, 1971, № 2, б. 6568.

48. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П. Об измерении температуропроводности горных пород. Известия АН СССР, Физика Земли, 1973, № II, с. 92-95.

49. Петрунин Г.И. Исследование теплофизических свойств горныхпород и мономинеральных агрегатов в интервале температур 300 1200 К. - Автореферат кандид. дисс., 051 - геофизика, М., МГУ, 1972.

50. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П. О фононной теплопроводности вмантии Земли. Доклады АН СССР, 1975, т.220, № 4, с. 833-836.

51. Петрунин Г.И. Связь теплоемкости породообразующих минералов со средним атомным весом. Вестник МГУ. Физика, Астрономия, 1981, т. 22, № 4, с. 66-68.

52. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П. Установка для измерения температуропроводности минералов методом плоских температурных волн. Теплофизика высоких температур, 1971, № 3, С. 622-626.

53. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П. Учет влияния теплообмена приизмерении температуропроводности методом плоских температурных волн. Вестник МГУ, серия 3 ( физика, астрономия ), 1971, т. 12, № 5, с. 613-614.

54. Петрунин Г.И., Попов В.Г. Влияние серпентинизации на тепловые свойства ультрабазитов. Известия АН СССР, Физика Земли, 1981, № 4, с. 18-24.

55. Петрунин Г.И., Попов В.Г. О фононной теплопроводности иее поведении на границах раздела в верхней мантии.-Известия АН СССР. Физика Земли, 1983, № 6, с. 87-92.

56. Померанчук И.Я. Теплопроводность диэлектриков при высокихтемпературах. Собрание научных трудов, М., Наука, 1972, т. I, с. 143-148.

57. Решетников М.А. К уравнению теплоемкости корунда от 0 до2000 К. Журнал теоретической химии, 1966, т. Н, вып. 7, с. 1489-1496.

58. Рингвуд А.Е. Состав и петрология мантии Земли. М., Недра, 1966, 584 е.

59. Сакварелидзе Е.А. Теплофизические свойства горных породв интервале температур 20-500°С. В сб. "Тепловые- 137 потоки из коры и верхней мантии Земли. М., Наука, 1973, с. 125-136.

60. Сакварелидзе Е.А., Гоциридзе Р.А. К оценке глубинных температур земной коры для некоторых районов Грузии. -Труды Тбилисского университета, 1979, с. 92-99.

61. Сергеев О.А., Мень А.А. Теплофизические свойства полупрозрачных материалов. М., Изд. стандартов, 1977, 288 е.

62. Смирнов Я.Б. Значение геотермических исследований дляизучения земной коры и верхней мадтии. В сб. "Проблемы строения земной коры и верхней мантии. Верхняя мантия", М., Наука, 1970, № 7, с. 250-265.

63. Смыслов А.А., Моисеенко У.И., Чадович Г.З. Тепловой режим и радиоактивность Земли. Л., Недра, 1979, с. 80-110.

64. Соколова Л.С. Распределение температур в земной коре южных областей Сибири и юго-восточной части Камчатки.-В сб. "Исследование теплового потока и электромагнитного поля СССР", М., Наука, 1975, с. 28-36.

65. Справочник физических констант горных пород, под ред.

66. С.Кларка мл., М., Мир, 1969, с. 425-435.

67. Старикова Г.Н., Любимова Е.А. Тепловые свойства горныхпород из скважин Кольского полуострова. В сб. "Тепловые потоки из коры и верхней мантии Земли", М., Наука, 1973, с. II2-II4.

68. Сухарев Г.М., Власова С.П. 0 зависимости теплофизическихсвойств горных пород от их минерало-петрографичес-кого состава, влажности и пористости. йзв.высших учебных заведений. Нефть и газ, т. 10, Ш 5, с. 5-9.

69. Тимарева С.В., Смирнов Я.Б., Поляк В.Г. Теплопроводностьгорных пород. В кн. "Тепловой режим недр СССР", М., Наука, 1970, с. 45-57.

70. Тимарева С.В. Теплопроводность базальтов Исландии. Вкн. "Изучение и использование геотермальных рессур-сов в вулканических областях", М., Наука, 1979, с. II7-122.

71. Тихонов А.Н. 0 влиянии радиоактивного распада на температуру земной коры. Известия АН СССР, серия геогр. и геофиз., 1937, № 3, с. 431-439.

72. Ткач Г.Ф., Юрчак Р.П. Измерение тепловых параметров горных пород в широком интервале температур. Известия АН СССР. Физика Земли, 1972, № 5, с. 81-83.

73. Ткач Г.Ф. Высокотемпературные исследования теплофизических свойств ультраосновных пород. Автореферат канд. диссертации, М., МГУ, 1970.

74. Ткач Г.Ф., Юрчак Р.П. 0 применении метода периодическихколебаний температуры для высокотемпературных исследований теплофизических свойств диэлектриков. -ТВТ, 1971, № I, с. 210-213.

75. Толстой М.И., Молявко В.Г., Продайвода Г.Т., Сухорада А.В.,

76. Петрографические особенности гранитоидов Кировоградского и Житомирского комплекса Украинского щита и их генетическое значение. Геофизический сборник АН СССР, Наукова думка, Киев, 1973, Ш 52, о.

77. ХенельР., Гренли Г., Хейер Измерение земного тепловогопотока в Норвегии и попытки интерпретации. В сб. "Тепловое поле Европы", М., Наука, 1982, с. 252261.

78. Чеховский В.Я., Пучкова Г.А. Уравнение энтальпии и теплоемкости корунда для 300-2300 К. В сб. 5-ой Всесоюзной конференции по калориметрии, М., МГУ, 1971, с. 334-338.

79. Юрчак Р.П., Петрунин Г.И., Эль-Шаркави А.А., Попов В.Г.

80. Техника и методика высокотемпературного эксперимента по определению комплекса теплофизических характеристик горных пород и минералов. Межвузовский сборник "Физические процессы горного производства", Л., 1975, вып. 2, с. 19-22.

81. Юрчак Р.П. Тепловые свойства минералов. Известия АН

82. СССР. Физика Земли, 1980, № 7, с. 16-34.

83. Юрчак Р.П. Установка для комплексных измерений теплофизических свойств диэлектриков. Заводская лаборатория, 1971, №12, с. I5I4-I5I6.

84. Юрчак Р.П., Ткач Г.Ф. Петрунин Г.И., Махмуд Мебет Исследование теплофизических свойств диэлектриков при высоких температурах. В сб. "Теплофизические свойства твердых веществ. - М., Наука, 1973, с. 83-86.

85. Юрчак Р.П., Филиппов Л.П. Определение теплоемкости методом радиальных температурных волн. Измерительная техника, 1970, № 3, с. 41-42.- 140

86. Anderson P. ,Backstrom G. Specific heat of solids at high, pressure measurements of thermal conductivity. High Temperatures - High Pressures, 1972, v.4-, N 1, p.101 - 109.

87. Angstrom A.J. Neue Mezode Warmeleitungsvermogen der Korperzu Bestimmen. Annalen der Physik und Chemie, 1861,band GOT", No.12, s.513 - 530.

88. Beck A.E.,Anglin P.M.,Sas3 I.H. Analisis of heat flow datain situ thermal condactivity measurement. Can. j.Earth.Sci.,1971, v.8,No.1, p.1 - 19.

89. Birch P. The velocity of compressional waves in rocks to 10kilobars. 1 ,2., Geophys. Res., 1960, v.65> p.108$ 1102 and v.66, p.2199 - 2224.

90. Birch P.,Clark H. The thermal conductivity of rocks itsdependence upon temperature and composition. -Am. jour. Sci., 1940, v.238, No.8, p.529 and No.9, p.613.

91. Birch P. Plow of heat in front range. Geol.Soc.America,

92. Bull., 1950, v.61, p.567 630.

93. Clark S.P.,Ringwood A.E. Density distribution and constitution of the mantle. Rev. Geophys., 1964, vol.2, p.35 - 88.

94. Debye P. Theorie der spezifischen warmen. Annalen der

95. Physik, 1912, vol.$9, p.789 839.

96. Dziewonski A.M. Upper mantle models from "pure path" dispersion data. J. Geophys. Res., 1971, v.76, p.2587 - 2601.

97. Green D.H.,Lambert I.B. Experimental crystallization of anhydrous granite at high pressures and temperatures. J.Geophys.Res., 1965, Vol.70, p.5259 5268.

98. Green D.H. High pressure experimental studies on the mineralogical composition of the lower crust. Phys. Earth.Planet.Inter., 1970, Vol.3, p.441 -450.

99. Hess H.H. History of ocean basins. Petrol.Stadies, a vol.to honor of A.1.Buddington, 1962, p.599 620.

100. Horai K. Thermal Conductivity of Rock-Forming Minerals.

101. J.Geophys.Res., 1971, Vol.76, No.5,p.1278 -1308.

102. Kawada K. Studies of thermal state of the Earth. The 18-thpaper.,Variation of thermal conductivity of rocks. Part 2 Bull.Earth.Res.Inst.Univ.,Tokyo, 1966, Vol.44, p. ю71 - 1091.

103. Kelly K.K. High-Temperature,Heat-Oontent,Heat-Capacity and

104. Oxburgh E.R.,Griffiths D. Mesurement of thermal conductivity.- Init.Repts.Deep Sea Drill Ecoj., 1979, Vol.49, p.765.

105. Plammer W.A.,Campbell D.E.,Comstok A.A. Method of Measurement of Thermal Diffusivity to 1000°C. J.of the Amer. Ceram.Soc., 1962, Vol.45, N0.7, Р-ЗЮ - 316.- 143

106. RingwoocL A.E.,Green D.H. An experimental investigation of the gabbro to eclogite transformation and some geophysical implication. Tectonophysics, 1966, Vol.3,p.383 427.

107. HO.Seipold U.,Gutzeit W. The distribution of thermal diffusivity in the Earth's crust. Phys.of the Earth and Planet Inter., 1982, Vol.29, p.69 - 72. lH.Stacey P.D. A thermal model of the Earth. - Physics of the

108. В заключение благодарю научного руководителя, старшего научного сотрудника Г.И.Петрунина за помощь и постоянное внимание к работе, А.П.Алексееву за содействие, оказанное при оформлении работы.