Петрофизика (стр. 12 из 20)
Единица измерения теплопроводности в системе СИ Вт/(м·К), в системе СГС кал/(см·°С).
Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К. Теплоемкость единицы массы вещества называется удельной теплоемкостью. Единица измерения в системе СИ Дж/кг·К, в системе СГС кал/г°С.
Формула:
c= Q/m (T2-T1), (4.3)
где Q – количество теплоты, m – масса тела; T2-T1 разность температур на которую изменилась температура тела массой m при проведении к нему количества теплоты Q.
Температуропроводность – это величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры. Численно равна отношению теплопроводности к теплоемкости единицы объема вещества. Выражается в единицах м2/с. Вычисляется:
a=λ/cσ, (4.4)
где cσ – объемная теплоемкость.
Наиболее распространенный способ изучения термических свойств –метод стационарного режима и динамического разогрева. Термические свойства обычно определяется в лабораторных условиях. В полевых условиях с помощью термокаротажа измеряют температуру в скважинах. Зная термические параметры, изученные на образцах, и распределение температуры в вышестоящей скважине, можно определить тепловой поток
4.2.Теплофизические параметры элементов и минералов.
Тепловой режим земной коры зависит главным образом от теплопроводности минерального вещества. Самая высокая теплопроводность наблюдается у самородных элементов. Значения их λ мало отличаются от соответствующих чистых элементов. Наибольшее значение λ наблюдается у серебра и численно равна 418-420 Вт/(м·К). Высокая теплопроводность (до 30 Вт/(м·К)) наблюдается у золота, меди некоторых других самородных элементов, таких как графит (268-389 Вт/(м·К)), алмаз (121-163 Вт/(м·К)), за исключением серы (0,85 Вт/(м·К)). Высокая теплопроводность (от 100 до 200 Вт/(м·К)) наблюдается у минеральных соединений с металлами: алюминий, калий, натрий, магний, кальций.
Однако некоторые из самородных металлов, а также другие элементы, встречающиеся и не встречающиеся в свободном состоянии, имеют:
- средние [от 10 до 50 Вт/(м·К) для свинца, сурьмы, марганца, тория, урана, цинка];
- пониженные [от 1,5 до 10 Вт/(м·К) для ртути, висмута, кадмия];
- низкие [0,5 до 1,5 Вт/(м·К) для бора];
- очень низкие [<0,5 Вт/(м·К) для водорода, фтора, хлора, кислорода]
значения коэффициента теплопроводности (Кобранова В.Н., 1986).
Высокая теплопроводность самородных элементов связана с тем, что тепловая энергия в них передается через твердую фазу непосредственным соприкосновением молекул, атомов и ионов, находящихся в тепловом движении, или диффузией свободных электронов (в самородных металлах) (У.И. Моисеенко, «Петрофизика», 1992 г.).
Существует тесная связь между электропроводностью и теплопроводностью. Отношение
считается примерно постоянным.Присутствие в составе минералов элементов с высокой теплопроводностью (от 50 до 300 Вт/(м·К)) нередко повышает минеральную теплопроводность. Неодинаковая плотность упаковки тоже влияет на теплопроводность. Чем больше межатомное расстояние, тем меньше теплопроводность.
Большинство минералов, слагающих горные породы обладают значительно меньшей теплопроводностью. Теплопроводность породообразующих минералов изверженных пород ниже, чем акцессорных и рудных. Породообразующие минералы метаморфических пород (сподумен, андалузит, кианит и др) по сравнению с породообразующими минералами интрузивных образований имеют значительно большую теплопроводность.
Главнейшие изученные классы минералов по величине теплопроводности располагаются следующим образом в порядке убывания:
· самородные металлы, а также графит алмаз (>120 Вт/(м·К));
· сульфиды ( ~ 19 Вт/(м·К));
· окислы (~ 11,8 Вт/(м·К));
· галогениды (~ 6 Вт/(м·К));
· карбонаты (~ 4,0 Вт/(м·К));
· силикаты (~3,8 Вт/(м·К));
· сульфаты (3,3 Вт/(м·К));
· нитраты (2,1 Вт/(м·К));
· самородные неметаллы (~0,85 Вт/(м·К)).
Теплоемкость минералов изменяется от 0,125 до 2-4 кДж/кг·К и зависит, в основном от их состава и структуры.
По среднему значению теплоемкости основные классы минералов можно расположить в следующий ряд: самородные металлы (от 0,13-0,2 для Pt, Au, Bi, Pb до 0,35-0,45 для Cu, Fe, Zn) < сульфиды и их аналоги (от 0,21-0,22 для галенита, киновари до 0,5-0,6 для ковелина, вюрцита) < окислы (от 0,22-0,24 для лимонита, пиролюзита, уранита до 2-4 льда и воды) < сульфаты ( 0,35 для англезита) < карбонаты (1-1,5 для гипса, эпсомита) < силикаты ( от 0,5-0,6 для турмалина до 0,9-0,98 для сподумена, циркона) (Кобранова В.Н., 1986).
4.3.Теплофизические параметры горных пород
Тепловые свойства горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения:
· свойствами и соотношением слагающих минералов;
· соотношением различных фаз (твердой, жидкой и газообразной);
· текстурой породы, ее анизотропией;
· структурой порового пространства, формой и размерами пор;
· свойствами цемента.
Наличие в горных породах порового пространства, заполненного флюидом, резко снижает процент переноса тепла, складывающегося из кондуктивной теплопередачи внутри отдельной твердой частицы, в местах соприкосновения частиц.
Анализ данных показал, теплопроводность λ возрастает в ряду глины→ аргиллиты→ пески→ алевролиты→ известняки→ доломиты→ каменная соль. В этот ряд не входят песчаники. Диапазон изменения теплопроводности у песчаника очень большой.
Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение теплопроводности в ряду ультраосновные→ основные → средние рост у сиенита, и гранита.
Метаморфические породы отличаются широкими пределами изменения коэффициента теплопроводности. Причем особенно они значительны у роговиков и кварцитов. Исключение составляют некоторые кристаллические сланцы серпентиниты и эклогиты.
Теплоемкость пород варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) Дж/кг·К.
Для отдельных же групп пород теплоемкость изменяется следующим образом:
· от 0,42 до 4,65 Дж/кг·К (осадочные породы)
· от 0,45 до 2,13 Дж/кг·К (магматические породы)
· от 0,3 до 1,72 Дж/кг·К (метаморфические породы).
Наибольший диапазон теплоемкости среди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий – ангидриты, гипсы, аргиллиты. Для большинства осадочных пород вариации теплоемкости связаны с коэффициентом пористости и влажности. Чем больше их значения, тем выше теплоемкость. Вариации теплоемкости магматических и метаморфических пород также связаны с влажностью. Теплоемкость пород не зависят от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.
Контрольные вопросы к главе 4.
1. Чем объясняется высокая теплопроводность самородных элементов?
2. Какие факторы оказывают влияние на теплопроводность горных пород?
3. От чего зависит и от чего не зависит теплоемкость горных пород?
Глава 5. Магнитные свойства минералов и горных пород
5.1. Магнитные параметры физических тел
Магнетизм вещества связан с особенностями строения внешних и внутренних атомных орбит. По типу магнетизма выделяются диа- и парамагнитные химические элементы /4,6,8/.
В веществе, помещенном в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее (намагничивающее). Напряженность суммарного магнитного поля (внешнего и внутреннего) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция численно равна:
(5.1)J –намагниченность вещества, которая является функцией внешнего поля.
Реакция вещества на приложенное магнитное поле характеризуется магнитной восприимчивостью æ:
, 
(5.2)Магнитные свойства вещества обуславливаются главным образом магнитными моментами электронов. Одновременно с вращением электронов вокруг своей оси (спиновое движение) они (электроны) совершают также движение по орбите вокруг положительно заряженных ядер (орбитальное движение). Оба вида движения эквивалентны круговому току, создающему магнитный момент.
Внешнее магнитное поле взаимодействуют с магнитными полями атомов, в результате чего возникает дополнительный момент, либо совпадающий с направлением внешнего поля, либо противоположный ему (диамагнетики).
Восприимчивость диамагнитных веществ отрицательна, то есть наведенные магнитным полем магнитные моменты ослабляют его. Таким образом, диамагнетик, вещество обладающий отрицательной магнитной восприимчивостью (порядка –10-5÷-10-6). Диамагнетизм является наиболее универсальным магнитным свойством, присущим всем веществам. Физическая суть этого явления состоит в следующем. Под действием внешнего магнитного поля в замкнутом токовом контуре (орбите вращения электрона) возникает электродвижущая сила, порождающая дополнительный индукционный ток. Этот ток создает индукционный момент, направленный в соответствии с законом электромагнитной индукции противоположно внешнему магнитному полю, что проявляется в отрицательных значениях магнитной восприимчивости. Магнитная индукция B в диамагнетике меньше напряженности поля H. Однако ослабление поля незначительно. Поскольку индуцированный полем отрицательный магнитный момент значительно меньше орбитального или спинового момента электронов, явление диамагнетизма можно обнаружить лишь у тех атомов, у которых орбитальные и спиновые моменты взаимно скомпенсированы.