Основы криогенеза литосферы - Романовский Н.Н.
ISBN 5—211—02379—X
Скачать (прямая ссылка):
Удельная теплоемкость всех пород возрастает по мере увеличения влажности (льдистости). Наибольшая теплоемкость характерна для дисперсных синкриогенных отложений северного типа (см. IV.2) и синхронно эпикриогенных отложений с пластовыми льдами (см. IV.3). Теплоемкость пород в целом возрастает с уменьшением их объемной массы (рис. V.2).
С,Аж/(г-/С)
Q I-1--J-:-i-1-?-
Рис. V.2. Зависимость теплоемкости (С) горных пород от их объемной массы (ус) (по В. Т. Балобаеву, 1991)
Теплопроводность пород обладает сложными зависимостями от минерального состава, плотности, влагосодержания, фазового состава воды. По характеру теплопроводности наиболее сложную систему представляют дисперсные отложения верхнего кайнозоя. Их состав, объемная масса, влагоемкость меняются в широких пределах. Из-за высокой влажности их тепло
186
проводность значительно варьирует при изменении фазового состояния воды. Наиболее общими закономерностями для дисперсных отложений являются: возрастание теплопроводности при увеличении влажности и объемной массы как в талом, так и в мерзлом состоянии; более высокие в целом коэффициенты теплопроводности мерзлых льдонасыщенных пород (км) по сравнению с талыми (Хт). Только неводонасыщенные отложения (с влажностью до 5%) могут иметь большую теплопроводность в талом состоянии, чем в мерзлом.
Обобщенная зависимость теплопроводности водо- и льдонасыщенных дисперсных отложений от объемной массы показана на рис. V.3. Теплопроводность минерального скелета всегда
Рис. V.3. Зависимость теплопроводности талых (А) и мерзлых (Б) дисперсных отложений от объемной массы скелета при полной влагона-сыщенности:
1 — песок; 2 — супесь; 3 — суглинок (по В. Т. Балобаеву, 1991)
больше, чем у воды. Поэтому Хт увеличивается при возрастании плотности отложений, сопровождающемся снижением пористости и содержания воды в породе. В мерзлом состоянии сходная зависимость характерна только для песка. У льдонасыщенных суглинков наблюдается тенденция понижения Ям с возрастанием их плотности за счет снижения относительного содержания льда. При возрастании объемной льдистости всех типов дисперсных отложений их теплопроводность увеличивается и стремится к теплопроводности льда (2,23 Вт/м-К). Таким образом, синкриогенные и синхронно эпикриогенные высокольдистые отложения, залегающие в верхней части разреза мерзлых толщ аккумулятивных равнин северной геокриологической зоны, обладают высокой теплопроводностью. В результате этого
187
они могли бы характеризоваться быстрой реакцией на температурные изменения на поверхности земли (похолодания и потепления) в отрицательном диапазоне температур. Однако их повышенная теплоемкость нивелирует это свойство.
На основании обработки большого количества данных В. Т. Балобаевым были получены зависимости осредненных значений теплопроводности от возраста осадочных пород палеогена и мезозоя Западно-Сибирской плиты, Сибирской платформы и Верхояно-Чукотской орогенной области (рис. V.4), а
. Я ,Вт/(м-К)
G
/ -
NP /с j т P
-i--1-1-L-L-J-1-1—J— или. Asm
100 200 JOO
Рис. V.4. Зависимость средней за геологический период теплопроводности песчаников от возраста (по В. Т. Балобаеву, 1991)
также указанных значений теплопроводности от плотности. Древние осадочные отложения отличаются от более молодых повышенной литификацией, большей плотностью и меньшим содержанием влаги. Отложения неогена и палеогена обладают большей плотностью, чем плейстоцена, но относятся еще к рыхлым породам. Теплопроводность глинистых пород палеогена слабо зависит от объемной массы, а для песчаных характерно возрастание теплопроводности с увеличением их плотности. Последняя в массивах обычно растет с глубиной. Все типы палеогеновых пород в мерзлом состоянии обладают большей теплопроводностью (примерно на 30%), чем в талом. Для осадочных пород мезозоя характерны возрастание плотности и уменьшение влажности пород с увеличением возраста. При этом влагосодержание глинистых пород снижается и становится меньше, чем у песчаников. Как правило, теплопроводность глинистых пород также меньше, чем у песчаников. Всем мезозойским породам в мерзлом состоянии свойственна большая теп
188
лопроводность, чем в талом. С увеличением возраста пород эта разница уменьшается. Так, в породах мела она составляет 40— 60%, а в триасовых — до 6—10% и приближается к погрешностям измерений.
Установлена отчетливая тенденция возрастания X с возрастом отложений при увеличении их объемной массы. В мезозойских толщах наибольшей теплопроводностью во всех регионах обладают песчаники; наблюдается тенденция возрастания теплопроводности отложений с увеличением зернистости.
Исследование свойств палеозойских осадочных пород показало, что их плотность близка к предельной, а влагоемкость составляет несколько процентов. Вода находится в трещинах и кавернах, особенно у карбонатных пород. Низкая влажность обусловливает практическое отсутствие различия Хг и Хм. Наибольшую теплопроводность имеют песчаники и доломиты, наименьшую — известняки и особенно мергели. Характерны значительное закономерное понижение X с увеличением глинистости карбонатных пород и возрастание с увеличением доломитизации. В. Т. Балобаев подчеркивает большой диапазон значений X: от 1,8 до 4,9 Вт/(м-К) для средних значений и от 1,1 до 7,3 Вт/(м-К) для предельных. Поэтому толщи пород палеозоя разного состава существенно различаются по теплопроводности. Палеозойские карбонатные породы Сибирской платформы содержат пласты галита, насыщены рассолами и обладают большой теплопроводностью. Это объясняется В. Т. Балобае-вым цементирующим действием высокотеплопроводных солей,, при этом лабораторные определения влияния засоления поро-вых растворов не показали различий в значениях теплопроводности пород насыщенных пресными и высокоминерализоваины-ми водами. В массивах пористых и кавернозных пород палеозоя с влагосодержанием более 1—2% начинает прослеживаться зависимость X от влажности.
