Тепловые и оптические свойства горных пород

Кроме перечисленных выше (λT, с, σ), к тепловым свойствам относят температу- ропроводность а= λT /сσ и тепловую инерцию Q = (λT сσ)1/2, а к оптическим — альбе- до А, коэффициент яркости rλ, степень черноты ελ и др. (см. п. 4.1).

Основным параметром в терморазведке является теплопроводность, характери- зующая способность сред и горных пород передавать тепло. В теории терморазведки доказано, что при температурах до 1000 °С теплопроводность обратно пропорциональ- на температуре. В связи с этим средняя теплопроводность до глубин около 100 км, где ожидаются такие температуры, должна понижаться по сравнению со средней тепло- проводностью поверхностных отложений. Но с глубиной возрастает давление и роль лучистого теплообмена, что фактически приводит к росту теплопроводности горных пород с увеличением глубины более 40-50 км. На глубинах свыше 100 км теплопро- водность резко возрастает, что объясняется проявлением астеносферной конвекции.

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 теп- лопроводность. Плотность, пористость и давление, под которым находятся горные по- роды, связаны между собой. При повышении плотности и давления, а значит, пониже-

нии пористости теплопроводность пород повышается. С увеличением влажности гор- ных 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 недостаточ- но изучено. Магматические и метаморфические породы обладают коэффициентом теп- лопроводности 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 во- донасыщенности. У магматических и метаморфических пород при обычных темпера- турах 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/с.

Тепловая инерция пород [Дж/(м2 ·с1/2·К), где К — 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 горными породами. Породы со слабой тепловой инерцией (сухие почвы и пески) характеризуются низкими ее значения Q<500 Дж/(м2с1/2·К) и большим колебанием суточных температур (до 60 °С). Породы и среды с высокой теп- ловой инерцией (обводненные породы, заболоченные участки) характеризуются значе- ниями Q до 3000 Дж/(м2с1/2·К) и суточным изменением температур до 30 °С. Над аква- ториями крупных рек, морей и океанов Q > 10 000 Дж/(м2с1/2·К), а суточный ход тем- ператур составляет несколько градусов.

Перечисленные тепловые свойства горных пород определяют лабораторными ме- тодами. Для этого образцы горных пород помещают в плоские, цилиндрические или сферические датчики, через которые пропускают стационарный или импульсный теп- ловой 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 результа- тов термометрии скважин и донных осадков; при глубинных геотермических исследо- ваниях; 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 свой- ства 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.