курс_специалитет_2014.doc. курс_специалитет_2014. Лекция 1 Тема Введение Предмет геофизики Геофизика (Ге ge Земля и physike физика основы естествознания)
 Скачать 341.83 Kb.
|
Упругие параметры физических телУпругость – свойство вещества оказывать влияющей на него силе механическое сопротивление и принимать после её спада исходную форму. При упругих деформациях вещество восстанавливает свои первоначальные объем и форму после прекращения действия сил, вызывающих их деформацию. В простейших случаях малых деформаций зависимость линейная – и действует закон Гука, на котором основана теория упругости. Согласно этой теории малые деформации пропорциональны приложенной нагрузке:  где Δl/l и Δd/d –относительная продольная и поперечная деформация;  - приложенная к телу нагрузка в кг, S– площадь поперечного сечения тела в м2; /S– напряжение. Количественными характеристиками упругих свойств являются модули упругости.
 , где p – нормальное растяжение,  - относительное удлинение. Единица измерения модуля Юнга в системе СИ: Па (паскаль), в системе СГС дин/см2. 2) коэффициент Пуассона σП(коэффициент поперечного сжатия) – отношение поперечного сжатия тела при одноосном растяжении к продольному удлинению. Коэффициент Пуассона равен абсолютному значению отношения относительной поперечной деформации тела к относительной продольной деформации:  , ,где εx , εy , εz– деформации по соответствующим осям. В твердых породах коэффициент Пуассона изменяется от 0,1- до 0,4. Чем больше значение коэффициента Пуассона, тем больше порода может деформироваться. Более однородные по минеральному составу породы характеризуются более низкими значениями коэффициента Пуассона.
 , где Kмодуль объемного сжатия.
 , где r – касательное напряжение; α – угол сдвига. Модуль сдвига численно равен другой константе Ламе:  В телах под действием механических напряжений возникают деформации и генерируются разные по природе упругие колебания (волны) продольные p и поперечные s. Продольные волны являются результатом деформации типа сжатия – растяжения, поперечные – сдвига. В свободных газах и жидкостях возникают только продольные волны и отсутствуют поперечные. Скорость упругих волн равна отношению длины пути соответствующей волны к времени пробега этого пути:  ;  Для геофизиков большое значение имеют скорости, которые связаны с модулями упругости и плотностью. Скорость продольных упругих волн или упругих колебаний, возникающих вследствие деформаций растяжение-сжатие в любой среде:  Скорость поперечных волн или упругих колебаний, возникающих вследствие деформаций сдвига в твердой среде:  Скорости vp и vsв принципе независимые величины. Связь между ними осуществляется через коэффициент Пуассона:  При сейсморазведочных работах вычисляют ряд скоростных параметров разреза: граничную, пластовую, среднюю, эффективную и лучевую скорости. Распространение упругих колебаний сопровождается затуханием их амплитуды по мере удаления от источника. Амплитуда A гармонической волны с частотой w убывает с расстоянием l в однородной поглощающей среде по закону:  , где A0 – амплитуда волны в некоторой фиксированной (начальной) точке; n- показатель расхождения фронта волны; α – коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения динамическая характеристика упругих сред и измеряется в м-1. Коэффициент поглощения упругих колебаний зависит от свойств среды. Чем ниже скорость распространения упругих колебаний в породе, тем выше значение коэффициента поглощения. С увеличением пористости коэффициент поглощения растет. Скорость упругих волн и упругие модули химических элементов и минералов Скорость продольных волн в минералах изменяется от 2000 до 18000 м/с, поперечных от 1100 до 10000 м/с. Низкие скорости характерны для самородных металлов (золото, платина), высокие – для алюмосиликатных и окисных безжелезистых минералов (топаз, шпинель, корунд), наибольшая скорость упругих волн установлена в алмазе. Характер изменения скорости упругих волн в элементах, минералах и горных породах имеет два типа связи между скоростью продольных волн и плотностью твердых образований:  ;  . К первому типу относятся большинство твердых петрогенных элементов и породообразующие минералы (силикатные и частично окисные), состоящие преимущественно из элементов со структурой типа sp. Скорость упругих волн и плотность этих элементов в значительной степени зависят от плотности упаковки атомов в кристалле и его структуры. Плотность минералов первого типа составляет 0,5-4,5 г/см3, то есть они относятся к минералам с малой и средней плотностью. Скорость продольных волн изменяется от 1км/с до 18 км/с. Для первого типа по мере возрастания плотности минералов наблюдается увеличение скорости упругих волн, то есть прямая зависимость, несмотря на то, что плотность в формуле входит в знаменатель. Это как будто противоречит рассматриваемым формулам. По мере возрастания плотности минералов наблюдается еще большее увеличение модуля Юнга и модуля сдвига. Это возрастание параметров связано, главным образом, с увеличением плотности упаковки атомов ω в кристаллах. Для породообразующих минералов ω изменяется от 72 до 94, а в алмазе достигает 176. В результате происходит увеличение скоростей. Для коэффициента Пуассона закономерных изменений не наблюдаются. Однако в формулы, определяющие скорости продольных и поперечных волн величина коэффициента Пуассона входит таким образом, что даже небольшие его вариации сильно сказываются на значения vP и vS. Наименьшие значения коэффициента Пуассона характерно для кварца (0,05-0,10). Пониженные значения σП свойственны гематиту и пириту ( в среднем 0,15). Ко второму типу относятся тяжелые металлы, сульфиды, окисные рудные минералы и самородные металлы, состоящие преимущественно из элементов со структурой типа d. В этих элементах и минералах существенное слияние на физические параметры оказывает атомная масса. Модуль Юнга и модуль сдвига, скорость упругих волн уменьшается с ростом плотности. Скорости упругих волн в магматических и метаморфических породах. Упругие характеристики магматических и метаморфических пород определяются в значительной мере:
Основными химическими компонентами горных пород являются окислы кремния, калия, натрия, алюминия, кальция, магния и железа. Наименьшей скоростью упругих волн характеризуются породы, обогащение такими легкими окислами, как окислы кремния, калия, натрия. С уменьшением их содержания в породах возрастает содержание окислов кальция, магния, железа. Для ассоциаций горных пород, сложенных малоупругими минералами кислого состава (кварц, калиевой полевой шпат, альбит, олигоклаз) характерны минимальные скорости упругих волн. Максимальными скоростями обладают горные породы, представленные высокоупругими минералами основного состава (лабрадор, амфибол, пироксен, оливин). Таким образом, скорость упругих волн увеличивается с увеличением основности. То есть в ряду гранит-габбро-перидотит наблюдается возрастание средней скорости продольных и поперечных волн с ростом основности. Однако следует заметить, что на упругие свойства горных пород воздействует множество факторов и не существует однозначной связи между геологическим определением породы и ее скоростной характеристикой. Породы сложенные одними и теми же минеральными ассоциациями могут отличаться по своим скоростям, так же как и совершенно разные породы могут иметь одинаковые значения скоростей. Поэтому обычно указываются пределы вероятных скоростей. Для эффузивных пород характерен широкий диапазон значений скоростей, обусловленный различной пористостью, первоначальной структуры пород и их последующим диагенезом. Для метаморфических пород в целом также наблюдается зависимость скорости упругих волн от минерального состава основности пород. При региональном метаморфизме скорость упругих волн возрастает от низших стадий метаморфизма к высшим за счет уплотнения пород. Существенное влияние на скоростные характеристики оказывают гипергенные процессы, приводящие к росту трещиноватости и образованию структурно-рыхлых минералов. Породы кислого состава в большей степени подвержены процессам выветривания. Скорости упругих волн в осадочных породах. Упругие свойства осадочных пород определяются составом, пористостью, диагенезом пород и свойствами порового заполнителя. В общем случае скорость продольных волн в осадочных породах изменяется от 0,3 до 6,9 км/с. Отношение vP/vS различна у различных пород: в глине 0,07-0,6, в лессе 0,3-0,6, в песке 0,1-0,3. Модуль Юнга изменяется от 3 ГПа в глине до 165 ГПа в доломите. Коэффициент Пуассона изменяется в пределах 0,1-0,45. Максимальные скорости упругих волн и модулей упругости отмечаются в уплотненных карбонатных породах, меньше величины этих параметров наблюдаются в уплотненных песчано-глинистых и гидрохимических образованиях. В значительной мере определяет скорость упругих волн в осадочных породах - пористость. Пористость может изменяться от 0 до 50%. С увеличением пористости породы сейсмические скорости в ней уменьшаются. Особенно эта закономерность справедлива для терригенных отложений, у которых величина пористости может достигать 30-40%. Фактором, влияющим на скорость упругих волн в осадочных породах, является тип заполняющего породу флюида. Насыщение порового пространства среды жидкостью, химически не взаимодействующей с минеральным скелетов породы, обуславливает увеличение скорости упругих волн. Насыщение глин и глинистых песчаников водой приводит к разбуханию глинистых минералов, потере связанности породы и уменьшение скорости. Резкое возрастание сейсмических скоростей в породе вызывает замерзание воды, находящиеся в порах, кавернах, трещинах. Так как скорость продольных волн во льду почти в 2,5 раза выше, чем в воде. Поэтому скорость может возрастать на 1- 2 км/с. Скорость увеличивается с возрастом пород, глубиной залегания, степенью цементации. Увеличение скорости с глубиной происходит из-за роста горного давления. Поскольку уменьшается пористость пород, увеличивается модуль Юнга и, соответственно, увеличивается скорость продольных волн. Это явление наиболее выражено для терригенных пород. В карбонатных отложениях это свойство проявляется слабо, и практически не заметно для хемогенных осадков. Экспериментально установлен рост процесса поглощения α с увеличением пористости пород. Установлен рост значений αP и αS с увеличением глинистости осадочных образований. Лекция №3 Теплофизические параметры веществ и методы их измерения Тепловое состояние земных недр является первопричиной многих геологических процессов. Его изучение включает теоретическое и экспериментальные исследования параметров теплового поля. Распределение температур на поверхности Земли и в ее недрах, то есть естественное тепловое поле Земли – определяется:
Основные теплофизические параметры горных пород – это теплопроводность, тепловой поток, удельная теплоемкость, температурапроводность, коэффициента теплового линейного и объемного расширения. Сведения о тепловых свойствах минералов и горных пород используют при решении следующих геологических задач:
Теплопроводность – процесс распределения теплоты от более нагретых к менее нагретым объемам неравномернонагретого вещества, способствующий выравниванию температуры среды. Передача тепла в однородных твердых телах происходит либо за счет обмена кинетической энергии при столкновении электронов (электронная теплопроводность), либо путем последовательной передаче колебаний кристаллической решетки от одного узла к другому (фононная теплопроводность). В 1822 году Жан Батист Фурье установил связь градиента температуры с плотностью теплового потока. Эта связь стала называться Законом Фурье, который формулируется, как количество переносимой энергии определяется как плотность теплового потока, пропорциональное градиенту температуры: q=λ·gradT , где q – плотность теплового потока, gradT – температурный градиент, λ - коэффициент пропорциональности, названый коэффициентом теплопроводности или просто теплопроводность. Иными словами теплопроводность λ – это физический параметр, характеризующий интенсивность процесса теплопроводности в веществе, численно равный плотности теплового потока q, при градиенте температуры gradT, равном единице. Формула коэффициента пропорциональности:  . Плотность теплового потока q - это вектор направленный в сторону, противоположную градиенту температуры и, численно равный количеству теплоты, проходящий через единицу площади изометрической поверхности в единицу времени. 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), где Q – количество теплоты, m – масса тела; T2-T1 разность температур на которую изменилась температура тела массой mпри 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, 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 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:
значения коэффициента теплопроводности. 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). 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. 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). Рудные минералы, как правило, имеют низкую теплоемкость. Наблюдается тесная связь между удельной массовой теплоемкостью минералов и плотностью: с уменьшением плотности минералов их теплоемкость возрастает. Теплофизические параметры горных пород Тепловые свойства горных пород в значительной мере определяются особенностями их внутреннего строения:
С увеличением глубины по вертикальному разрезу земной коры теплопроводность возрастает. Значения коэффициента теплопроводности осадочных, магматических и метаморфических пород во многом перекрывается. Величина этого параметра осадочных пород меняется в диапазоне от 0,14 до 6,5 Вт/(м·К); магматических – от 0,25 до 5,08 Вт/(м·К); метаморфических от 0,44 до 7,6 Вт/(м·К). 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 и варьирует в пределах от 0,24-7,41 Вт/(м·К). При этом рассматривается тенденция понижения теплопроводности от мерзлых к влажным и далее к нефтенасыщенным и сухим. Для интрузивных магматических пород наблюдается снижение теплопроводности с повышением их основности. Главная причина – уменьшение концентрации кварца, обладающего относительно высокой теплопроводностью. Эффузивные породы, как правило, характеризуются более низкими значениями коэффициента теплопроводности, чем их интрузивные аналоги. 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:
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. Магнитные свойства минералов и горных пород |