Тепловые свойства минералов и горных пород

Минералы

Теплопроводность. Преимущественно минералы и горные породы - плохие проводники тепла, l = 0,1-20 Вт/(м×К). Относительно высокой теплопроводностью характеризуются самородные и некоторые рудные минералы: медь, золото, гематит, сфалерит до 500 Вт/(м×К), далее следует алмаз -121-163 Вт/(м×К), замыкают ряд сульфиды - 19, окислы- 12, фториды и хлориды - 6, карбонаты и силикаты - 4, сульфаты - 3,3, нитраты - 2,1, самородные неметаллы сера и селен - 0,85 Вт/(м×К) (табл. 5.1, рис. 5.1).

Из числа породообразующих минералов сравнительно высокой теплопроводностью обладает кварц, l = 7-13 Вт/(м×К), поэтому теплопроводность интрузивных пород повышается в ряду от основных к кислым.

Хемогенные осадки - каменная соль, сильвин, ангидрид - имеют повышенную по сравнению с другими неметаллами теплопроводность порядка 6 Вт(Дм-К).

Теплопроводности углей и торфа невысокие - в пределах 0,07-2,24 Вт/(м×К).

Теплоемкость. По имеющимся сведениям, значения удельной массовой теплоемкости при постоянном давлении в Дж/(кг×К) нарастают в такой последовательности (табл. 5.1):

- самородные металлы - платина, золото, висмут, медь, и др. 130-450;

- сульфиды - галенит, киноварь и др.– 210-600;

- окислы – 220-1000 (лед, вода даже до 2000-4000);

- силикаты – 500-980;

- сульфаты – 350-1500.

Низкие значения коэффициента удельной теплоемкости обусловлены присутствием тяжелых элементов с низкой удельной теплоемкостью, а повышенные - характерны для минералов с увеличенным содержанием элементов малой плотности (особенно воды и водорода).

 

 

Рис. 5.1. Интервалы типичных значений коэффициентов теплопроводности некоторых минералов и горных пород (заштрихованы)

 

 

Наблюдается достаточно тесная связь между удельной массовой теплоемкостью минералов и плотностью (рис. 5.2): с уменьшением плотности минералов их теплоемкость возрастает.

 

 

Рис. 5.2 - Корреляция между значениями удельной теплоемкости с и плотности s различных минералов (заштрихована область наиболее вероятных значений этих параметров)

 

Коэффициент линейного теплового расширения a уменьшается с увеличением энергии кристаллической решетки и, соответственно, плотности минералов от 10^-4 до 10^-6 К^-1. Высокими значениями этого параметра характеризуются S - 8×10^-5 К^-1, NaCl - 4×10^-5 К^-1, слюда, флюорит и кварц - 1,3×10^-5 К^-1. Некоторые кристаллы имеют различное тепловое расширение в разных кристаллографических направлениях, например диопсид, роговая обманка, кварц, кальцит. Коэффициенты линейного расширения минералов в аморфном состоянии ниже, чем в кристаллическом.

Горные породы

Теплопроводность горных пород определяется минералогическим составом. Кроме того, на нее влияют пористость пород, флюидный и фазовый состав, структура и текстура, а также температура и давление. С увеличением глубины по вертикальному разрезу земной коры теплопроводность проявляет тенденцию к возрастанию (табл. 5.2).

 

Таблица 5.2 Средние значения коэффициента теплопроводности основных петрофизических структурно-вещественных комплексов земной коры при нормальных температуре и давлении

 

Слои ЗК	l, Вт/(м×К)
Осадочный Гранитно-метаморфичеокий Диоритовый Базальтовый	1,9 2,3 2,2 3,4

 

Значения коэффициента теплопроводности осадочных, магматических и метаморфических пород во многом перекрываются. Величина этого параметра магматических пород меняется в диапазоне от 0,25 до 5,0; метаморфических - от 0,44 до 7,6, осадочных - от 0,14 до 6,5; Вт/(м×К) (табл. 5.1). Фазовый состав флюидов существенно влияет на теплопроводность пород, поскольку их теплофизические характеристики различаются очень резко (табл. 5.3).

Для интрузивных магматических пород характерно понижение теплопроводности с повышением их основности, г.о. из-за уменьшение концентрации кварца, обладающего относительно высокой теплопроводностью (см. табл. 5.1, рис. 5.1).

Эффузивные породы, как правило, характеризуются более низкими значениями коэффициента теплопроводности, чем их интрузивные аналоги, поскольку теплопроводность кристаллических фаз, чем аморфных. В качестве примера можно сравнить значения коэффициентов теплопроводности габбро и базальта (см. табл. 5.1, рис. 5.1).

Теплопроводность осадочных образований возрастает от терригенных к хемобиогенным.

 

Таблица 5.3 Тепловые свойства флюидов, входящих в состав горных пород в различных фазовых состояниях

 

Тип флюида	Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×К)	Удельная теплоемкость с, Дж (кг×К)
Лед Вода Нефть Воздух	2,33 0,58 0,14 0,023

 

На значение коэффициента теплопроводности заметно влияет гранулометрия пород: с уменьшением размеров зерен, значения коэффициента также уменьшаются (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Зависимость коэффициента теплопроводности l горных пород от их структуры и зернистости

 

 

Особенно четко эта тенденция прослеживается в осадочных комплексах (рис. 5.4). Слоистые осадочные и сланцеватые метаморфические породы нередко характеризуются анизотропией теплопроводности: вдоль сланцеватости и слоистости теплопроводность выше, чем в перпендикулярном направлении (табл. 5.4).

 

Рис. 5.4 Зависимость коэффициента теплопроводности l осадочных пород от их гранулометрического состава

 

 

Таблица 6.4 Анизотропия теплопроводности пород

 

Порода	Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×К)	Коэффициент анизотропии
Вдоль сланцеватости	Перпендикулярно сланцеватости
Кварцевый песчаник Гнейс Мрамор Известняк	5,7 3,1 3,1 3,4	5,5 2,2 3,0 2,6	1,06 1,44 1,02 1,35

 

Коэффициенты линейного расширения горных пород в отличие от минералов изменяются в заметно более узких пределах (рис. 5.5). Коэффициенты объемного расширения горных пород обычно в три раза больше, чем соответствующие значения коэффициентов линейного расширения. Пористость, кавернозность, трещиноватость горной породы понижают ее способность к расширению.

 

 

Рис. 5.5. Интервалы значений коэффициентов линейного теплового расширения a различных горных пород

 

 

ВОПРОСЫ

1. Какими факторами обусловлено естественное тепловое поле Земли?

2. Что такое теплопроводность? В чем отличие электронной от фононной электропроводности? Каков физический смысл коэффициента электропроводности?

3. Что такое плотность теплового потока и чем она отличается от удельного теплового потока?

4. Дайте определение теплоемкости горной породы. Поясните разницу между удельными массовой, объемной и молярной теплоемкостью.

5. Поясните, что такое температуропроводность и коэффициенты объемного и линейного теплового расширения.

6. Объясните, в чем состоит бесконтактный способ определения теплопроводности образцов горных пород.

7. Охарактеризуйте основные тепловые свойства минералов, в частности их теплопроводность, теплоемкость, коэффициент линейного теплового расширения.

8. От чего зависит теплопроводность горных пород?