Astronet > Geofizicheskie metody issledovaniya zemnoi kory. Chast' 1

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Geofizicheskie metody issledovaniya zemnoi kory

13.2. Principy teorii termorazvedki

Teoriya termorazvedki osnovyvaetsya na reshenii uravneniya teploprovodnosti

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

(5.1)

harakterizuyushego izmenenie temperatury $T$ po osyam koordinat (x, y, z) vo vremeni $t$ s uchetom temperaturoprovodnosti $a$ .

V teorii termorazvedki poluchena sleduyushaya formula dlya rascheta vertikal'nogo teplovogo potoka:

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

(5.2)

Zdes' $\Gamma$ - temperaturnyi gradient ili izmenenie temperatur $T_{2}$ i $T_{1}$ na glubinah $z_{2}$ i $z_{1}$ (os' z napravlena vniz po normali k poverhnosti); $\lambda_{T}$ - koefficient teploprovodnosti; $\sigma$ - plotnost'; $C$ - teploemkost'; $V_{z}$ - vertikal'naya skorost' konvekcii (ili skorost' fil'tracii podzemnyh vod, esli schitat', chto konvekciya osushestvlyaetsya v osnovnom za schet podzemnyh vod); $T$ - temperatura na glubine $z = ({z}_{1} + {z}_{2} )/2,\; a = {\lambda }_{T} /C\sigma$ . Esli konvekciya vod idet vverh, chto nablyudaetsya v slabopronicaemyh sloyah na glubinah svyshe 100 m, to teploprovodnyi i konvektivnyi teplovye potoki skladyvayutsya ( $-V_{z}$ ), pri fil'tracii vniz - vychitayutsya ( $V_{z}$ ).

V skal'nyh porodah, a takzhe v usloviyah stacionarnogo teploobmena konvekciei mozhno prenebrech' ( $V_{z}$ ), i teplovoi potok raven $q_{z} = - \lambda_{T} \Gamma$ , t.e. on opredelyaetsya tol'ko teploprovodnost'yu porod i temperaturnym gradientom.

Takim obrazom, regional'nyi teplovoi potok Zemli mozhet byt' rasschitan cherez izmerennye na raznyh glubinah temperatury i teplovye svoistva sredy, v osnovnom teploprovodnost'.

Reshaya uravnenie (5.1) s uchetom vyrazheniya (5.2), mozhno poluchit' formulu dlya rascheta summarnogo teplovogo potoka iz nedr Zemli:

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

(5.3)

gde $T_{1}$ - temperatura na glubine $z_{1}$ ; $\Gamma$ - geotermicheskii gradient na dvuh glubinah $z_{1}$ i $z_{2}$ ; $V_{z}$ - vertikal'naya skorost' konvekcii.

Pri reshenii pryamyh zadach termorazvedki chasto Zemlyu prinimayut za odnorodnoe poluprostranstvo s postoyannym teplovym potokom $q_{sum}$ .

Reshaya uravnenie (5.1) s uchetom vyrazheniya (5.3) i granichnyh uslovii dlya tel prostoi geometricheskoi formy (shar, stolb, cilindr i t.p.) ili gorizontal'no-sloistoi sredy s raznymi teplovymi svoistvami, mozhno poluchit' analiticheskie vyrazheniya dlya anomal'nyh teplovyh potokov ili temperatur. Pri sravnenii teoreticheski rasschitannyh krivyh s nablyudennymi vyyavlyayutsya geotermicheskie anomalii, kolichestvennaya interpretaciya kotoryh pozvolyaet ocenit' polozhenie, glubiny zaleganiya anomaloobrazuyushih lokal'nyh ob'ektov.

13.3. Teplovye i opticheskie svoistva gornyh porod

Krome perechislennyh vyshe ( $\lambda_{T} , S, \sigma , a$ ), k teplovym svoistvam otnosyat teplovuyu inerciyu $Q = \sqrt{\lambda_T C\sigma }$ , a k opticheskim - al'bedo $A$ , koefficient yarkosti $r_{\lambda }$ , stepen' chernoty $\epsilon_{ \lambda }$ i dr.

Osnovnym parametrom v termorazvedke yavlyaetsya teploprovodnost', harakterizuyushaya sposobnost' sred i gornyh porod peredavat' teplo. V teorii termorazvedki dokazano, chto pri temperaturah do 1000 $^\circ$ S teploprovodnost' obratno proporcional'na temperature. V svyazi s etim srednyaya teploprovodnost' do glubin okolo 100 km, gde ozhidayutsya takie temperatury, ponizhaetsya primerno v 3 raza po sravneniyu so srednei teploprovodnost'yu poverhnostnyh otlozhenii. Na glubinah svyshe 100 km teploprovodnost' postepenno povyshaetsya, chto ob'yasnyaetsya rostom s glubinoi davleniya i luchistogo teploobmena. Eta zona ponizhennoi teploprovodnosti v mantii sluzhit prepyatstviem dlya ottoka tepla k poverhnosti i sposobstvuet vozrastaniyu temperatur s glubinoi.

V celom teploprovodnost' gornyh porod zavisit ot mineral'nogo sostava, struktury, tekstury, plotnosti, poristosti, vlazhnosti, temperatury. Mineral'nyi sostav magmaticheskih, metamorficheskih i osadochnyh porod ne ochen' vliyaet na ih teploprovodnost'. Plotnost', poristost' i davlenie, pod kotorym nahodyatsya gornye porody, svyazany mezhdu soboi. Pri povyshenii plotnosti i davleniya, a znachit ponizhenii poristosti teploprovodnost' porod povyshaetsya. S uvelicheniem vlazhnosti gornyh porod ih teploprovodnost' rezko uvelichivaetsya. Naprimer, izmenenie vlazhnosti s 10 do 50% mozhet uvelichit' teploprovodnost' v 2 - 4 raza. Povyshenie temperatury snizhaet teploprovodnost' kristallicheskih i suhih osadochnyh porod i uvelichivaet u vodonasyshennyh. V celom vliyanie razlichnyh, inogda vzaimno protivopolozhnyh prirodnyh faktorov, na teploprovodnost' gornyh porod ves'ma slozhno i nedostatochno izucheno. Magmaticheskie i metamorficheskie porody obladayut koefficientom teploprovodnosti 0,2 - 0,4 (v srednem 0,3) Vt/(m*grad), osadochnye - 0,03 - 0,5 (v srednem 0,125) Vt/(m*grad), neftegazonasyshennye - men'she 0,05 Vt/(m*grad).

Teploemkost'yu gornyh porod ob'yasnyaetsya ih sposobnost' pogloshat' teplovuyu energiyu. Ona otlichaetsya sravnitel'nym postoyanstvom i vozrastaet s uvelicheniem vodonasyshennosti. U magmaticheskih i metamorficheskih porod pri obychnyh temperaturah teploemkost' izmenyaetsya v predelah (0,6 - 0,9)*10³ Dzh/(kg*grad), u osadochnyh - (0,7 - 1)*10³ Dzh/(kg*grad), u metallicheskih rud - (0,9 - 1,4)*10³ Dzh/(kg*grad). S rostom temperatury ona uvelichivaetsya.

Temperaturoprovodnost' harakterizuet skorost' izmeneniya temperatur pri pogloshenii ili otdache tepla. U razlichnyh gornyh porod ona izmenyaetsya v predelah (4 - 10)*10^-7 m² /c.

Teplovaya inerciya porod [Dzh/(m²*s^1/2*K), gde K - gradusy Kel'vina] yavlyaetsya odnoi iz obobshennyh teplovyh harakteristik zemnoi poverhnosti. Ona ispol'zuetsya pri teplovyh aerokosmicheskih s'emkah i harakterizuet sutochnyi hod temperatur nad raznymi landshaftami i akvatoriyami. Porody so slaboi teplovoi inerciei (suhie pochvy i peski) harakterizuyutsya nizkimi ee znacheniyami $Q \lt$ 500 Dzh/m²s^1/2K i bol'shim kolebaniem sutochnyh temperatur (do 60 $^\circ$ S). Porody i sredy s vysokoi teplovoi inerciei (obvodnennye porody, zabolochennye uchastki) harakterizuyutsya znacheniyami $Q$ do 3000 Dzh/m²s^1/2K i sutochnym izmeneniem temperatur do 30 $^\circ$ S. Nad akvatoriyami krupnyh rek, morei i okeanov $Q \gt$ 10000 Dzh/m²s^1/2K, a sutochnyi hod temperatur sostavlyaet neskol'ko gradusov.

Perechislennye teplovye svoistva gornyh porod opredelyayut laboratornymi metodami. Dlya etogo obrazcy gornyh porod pomeshayut v ploskie, cilindricheskie ili sfericheskie datchiki, cherez kotorye propuskayut stacionarnyi ili impul'snyi teplovoi potok ot istochnika tepla. Izmeryaya proshedshii potok, gradient temperatur za vremya opyta i znaya geometricheskie razmery datchika, mozhno opredelit' teplovye svoistva porod.

Znanie teplovyh svoistv gornyh porod neobhodimo dlya interpretacii rezul'tatov termometrii skvazhin i donnyh osadkov; pri glubinnyh geotermicheskih issledovaniyah; vyyavlenii teh ili inyh poleznyh iskopaemyh; pri provedenii teplovyh raschetov s cel'yu ustanovleniya zavisimostei teplovyh svoistv ot fizicheskih, geologicheskih, vodno-kollektorskih parametrov.

K opticheskim svoistvam gornyh porod otnosyatsya: al'bedo, harakterizuyushee otrazhatel'nye svoistva poverhnosti (%); koefficient yarkosti, t.e. otnoshenie yarkosti poverhnosti v rassmatrivaemom napravlenii k yarkosti beloi ideal'no rasseivayushei poverhnosti; stepen' chernoty, pokazyvayushaya, vo skol'ko raz plotnost' izlucheniya dannogo ob'ekta pri dline volny $\lambda$ men'she plotnosti izlucheniya absolyutno chernogo tela pri toi zhe temperature, i dr. Eti svoistva igrayut osnovnuyu rol' pri infrakrasnoi s'emke.

14. Metody termorazvedki

14.1. Apparatura dlya geotermicheskih issledovanii

Dlya geotermicheskih issledovanii ispol'zuyut raznogo roda teplovizory, termometry, termogradientometry i teplomery.

14.1.1.Teplovizory.

Dlya aerokosmicheskih i polevyh radioteplovyh i infrakrasnyh s'emok izgotovlyayut teplovizory, rabotayushie v teh ili inyh uchastkah spektra dlin elektromagnitnyh voln ot mikrometrovogo do millimetrovogo diapazona. Fotochuvstvitel'nym elementom (fotodetektorom) teplovizora yavlyayutsya osobye kristally, chuvstvitel'nye k elektromagnitnomu izlucheniyu opredelennyh dlin voln. Dlya dostizheniya vysokoi chuvstvitel'nosti (doli gradusa) i bezynercionnosti kristally dolzhny nahodit'sya pri ochen' nizkih temperaturah ( < -203 $^\circ$ C). S etoi cel'yu ih pomeshayut v ohlazhdayushee ustroistvo na zhidkom azote ili gelii. Izmerennye izlucheniya preobrazuyutsya v elektricheskie signaly, kotorye usilivayutsya i transformiruyutsya v takuyu formu, chtoby ih mozhno bylo peredat' na ekran televizora ili na fotoplenku, kak pri obychnyh fototelevizionnyh s'emkah.

V portativnyh perenosnyh teplovizorah temperatury fiksiruyutsya na cifrovyh indikatorah. Sushestvuyut takzhe pribory s zapis'yu na magnitnuyu lentu. Teplovizory-spektrometry soderzhat ustroistva dlya spektral'nogo razdeleniya prinyatyh izluchenii i posleduyushei ih obrabotki s pomosh'yu EVM. V teplovizorah dlya aerokosmicheskoi s'emki imeetsya skaniruyushee elektronno-mehanicheskoe ustroistvo dlya razvertki fotodetektora perpendikulyarno k napravleniyu poleta, chtoby osushestvit' razvertku izobrazheniya po strokam i kadram, t.e. provesti obzornuyu s'emku.

14.1.2. Termometry.

Pri termorazvedke temperaturu porod ili vody izmeryayut s pomosh'yu skvazhinnyh (shpurovyh) ili donnyh termometrov. Chuvstvitel'nym elementom takih termometrov yavlyayutsya termochuvstvitel'nye soprotivleniya ili termistory, vklyuchaemye v mostikovuyu shemu, kotoraya rabotaet na postoyannom toke. Izmenenie temperatury okruzhayushei sredy privodit k razbalansu "mosta", poyavleniyu v nem proporcional'nogo izmeneniya toka. V termogradientometrah imeetsya neskol'ko chuvstvitel'nyh elementov, raspolozhennyh na rasstoyaniyah 1 - 2 m drug ot druga. S pomosh'yu elektricheskih shem izmeryayut raznosti temperatur mezhdu nimi. Teplomery, postroennye na baze termometrov, sluzhat dlya ocenki teplovyh potokov. Signaly, poluchennye so skvazhinnogo ili donnogo termometrov, usilivayutsya i po kabelyu peredayutsya na avtomaticheskie registratory, kak i v seriinyh karotazhnyh stanciyah dlya geofizicheskih issledovanii v skvazhinah (sm. 17.2).

Nazad| Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: geofizika - Zemlya - zemnaya kora Publikacii so slovami: geofizika - Zemlya - zemnaya kora
Sm. takzhe: Zamerzshie puzyri metana v ozere Baikal Zemlya iz mezhplanetnogo prostranstva Zahod Zemli s "Oriona" Protivosumerechnye luchi i festival' planet Voshod Zemli: video Udarnyi krater Manikuagan: vid iz kosmosa Zemlya i Luna: vid s drugoi storony Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [5]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce