Теплові і оптичні властивості порід

До числа застосовуваних в терморозвідці теплових і оптичних властивостей належать вже згадувані вище теплопровідність (l), теплоємність (C) і температуропровідність (a), а також тепловий опір (x), теплова інерція (Q), коефіцієнт теплопередачі (k_a), альбедо (A), коефіцієнт яскравості (r_n), ступінь чорності (e_l) і ін.

Основним параметром при досліджені теплових полів є теплопровідність, яка характеризує здатність середовищ і гірських порід передавати тепло. У теорії терморозвідки доведено, що при температурах до 1000°С теплопровідність гірських порід є обернено пропорційною до температури. У зв'язку з цим середня теплопровідність до глибин близько 100 км, де очікуються такі температури, знижується приблизно в 3 рази порівняно із середньою теплопровідністю поверхневих відкладів. Одною з основних причин цього явища є збільшення ролі процесів розсіювання при зростанні амплітуди коливань атомів навколо середніх положень в кристалічній гратці. Розсіювання зростає при наявності різноманітних дефектів та меж розділу (зерен, фаз тощо), які також виступають в ролі чинників що сприяють зменшенню кондуктивної теплопровідності порід.

На глибинах понад 100 км теплопровідність поступово підвищується, що пояснюється ростом із глибиною тиску, а також ролі конвективного і променистого теплообміну. Ця зона мантії служить перешкодою для відтоку тепла до поверхні і сприяє зростанню температур із глибиною.

В загальному випадку теплопровідність гірських порід залежить від мінерального складу, структури, текстури, густини, пористості, вологості і температури. При цьому часто вплив структурно-текстурних чинників на величину теплопровідності є значно суттєвішим за вплив чинників складу, чим і пояснюються широкі діапазони зміни параметру в ефузивних (l=0,2¼4,0 Вт×м^-1×К^-1), інтрузивних (l=1,1¼5,1 Вт×м^-1×К^-1), метаморфічних (l=0,6¼7,6 Вт×м^-1×К^-1) і осадових породах (l=0,1¼7,1 Вт×м^-1×К^-1). Так, теплопровідність осадових порід при насиченні їх водою може зрости в декілька разів, а підвищення температури знижує теплопровідність кристалічних і сухих осадових порід і збільшує у водонасичених.

Питомий тепловий опір є величиною оберненою до теплопровідності (x=1/l. [x]=1 м×К/Вт). Тепловий опір (R=x×Dx/DS) гірських порід є одним з основних чинників, що визначають характер природного теплового поля: q=DT/R. Величина теплового опору зменшується з зростанням густини, вологості, проникності. Мінімальні величини теплового опору властиві магматичним і метаморфічним породам. Максимальні величини x серед осадових порід фіксуються в каустобіолітах (вугілля, торф, нафта тощо) та газо- і нафтонасичених уламкових породах, а мінімальні – в іоногенних породах. Дещо підвищеною є величина теплового опору глинистих порід.

Теплоємність гірських порід характеризує їх здатність поглинати теплову енергію. Величина параметру суттєвим чином залежить від мінерального складу порід (теплоємність є адитивним параметром, відтак її можна розраховувати за теплоємністю компонентів) тож відрізняється порівняною сталістю. Водночас, достатньо значним є вплив пористості, вологості і температури, зростання яких призводить зазвичай до збільшення теплоємності.

Температуропровідність характеризує швидкість зміни температур при поглинанні або віддачі тепла. У більшості різноманітних гірських порід вона змінюється в межах 0,5¼20×10^‑7 м²/c, при цьому діапазон найбільш вірогідних значень ще вужчий - 4¼10×10^‑7 м²/c.

Теплова інерція (Q=l_Т^0,5×c^0,5×s^0,5. [Q]=1 UTI=1 Дж×м^-2×с^-0,5×K^-1) є однією з узагальнених теплових характеристик які застосовуються при дослідженні земної поверхні. Вона використовується при теплових аерокосмічних зйомках і характеризує добовий хід температур над різними ландшафтами й акваторіями. Породи зі слабкою тепловою інерцією (сухі грунти і піски) характеризуються низькими її значеннями £500 Дж×м^-2×с^-0,5×K^-1 і великим коливанням добових температур (до 60 К). Породи і середовища з високою тепловою інерцією (обводнені породи, заболочені ділянки) характеризуються значеннями до 3000 Дж×м^-2×с^-0,5×K^-1 і добовою зміною температур до 30 К. Над акваторіями великих рік, морів і океанів теплова інерція досягає 10000 Дж×м^-2×с^-0,5×K^-1, а добовий хід температур складає декілька градусів.

Рисунок 6.5 – Визначення кондуктивного теплового потоку за вимірюваннями в свердловинах

Коефіцієнт теплопередачі - кількість енергії, яку тіло передає в навколишнє середовище за одиницю часу через одиницю поверхні при різниці температур в 1 К: k_a=dQ×(T₁-T₂)^-1×S^-1×dt^-1. [k_a]=1 Вт×м^-2×К^-1) характеризує інтенсивність теплопередачі через поверхню розділу і визначається як відношення щільності теплового потоку до температурного напору між теплоносіями.

Основними параметрами при інфрачервоних зйомках є коефіцієнт екстинкції, альбедо (А – показник, що характеризує відбивні властивості поверхні, %), коефіцієнт яскравості (r_n - відношення яскравості поверхні в аналізованому напрямку до яскравості білої поверхні, що ідеально розсіює, б/р), ступінь чорності (e_l - відношення потоку власного випромінювання даної частоти до потоку випромінювання чорного тіла за тієї ж температури, б/р) тощо.