Тепловое состояние горных пород

Температура горных пород формируется тепловым потоком, идущим из недр Земли, и теплом, получаемым от Солнца. С увеличением глубины температура пород увеличивается со средним геотермическим градиентом Г = 0,03 град/м. Если на некоторой глубине Н_п известна температура пород Т_п, то геостатическая температура на произвольной глубине Н определяется по формуле

T=T_п-Г(Н_п-H)

Геотермический градиент Г для разных районов Земли изменяется в широких пределах: от 0,01 до 0,67 град/м. На больших глубинах температура горных пород может достигать значительных величин. Например, при бурении Кольской сверхглубокой скважины на глубине 12 км зафиксирована температура около 250 °С. Под действием возрастающей с глубиной температуры содержащиеся в порах и трещинах жидкости разогреваются, отчего внутрипластовое давление аномально увеличивается.

Тепловой (геотермический) режим массива зависит от его геоструктурного положения и глубины источников тепла. Тепловые потоки относительно высоки в рифтовых зонах, поскольку рифты закладываются над мантийными поднятиями. При толщине континентальной коры около 40 км средняя плотность теплового потока составляет примерно 55 мВт/м². В областях с океанической корой толщиной 12—14 км средняя плотность потока приближается к 60 мВт/м², в рифтовых зонах — до 100 мВт/м² и выше.

Аномалии теплового поля во многом связаны с изменением теплопроводности пород, которая изменяется в процессе их уплотнения, перекристаллизации и удаления флюидов. При постоянном глубинном тепловом потоке это отражается на геотермическом градиенте, который возрастает при снижении теплопроводности. Коэффициент теплопроводности минералов λ_м и горных пород λ резко отличаются друг от друга из-за наличия в породах пор и повышенного теплового сопротивления на границах зерен. Например, минерал галит имеет λ_м = 25,5 Вт/(м • град), а каменная соль — λ = 7,2 Вт/(м • град).

Удельная теплоемкость горных пород изменяется от 380 до 2100 Дж/(кг • град). Удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/(кг • град), что значительно превышает теплоемкость горных пород. По этой причине теплоемкость водонасыщенных пород всегда выше теплоемкости сухих пород.

Значения физических параметров некоторых горных пород

Порода	λ, Вт/(м с)	С_v, МДж/(м³К)	р_г, г/см³
Алевролит	3,39	2,68	2,66
Песчаник	5,44	2,89	2,65
Известняк	2,97	2,72	2,71
Мергель	2,60	2,54	2,71

Коэффициенты теплового расширения α_t горных пород обратно пропорциональны соответствующим модулям упругости Е. Значения коэффициента линейного теплового расширения горных пород находятся в пределах (0,5—0,9) • 10^-5 град^-1. При нагревании или охлаждении горных пород в них возникают термические напряжения. Это происходит при неравномерном нагреве массива пород; при наложении связей, ограничивающих расширение пород; при неоднородности их строения. Охлаждение блока трещиноватого массива пород на величину ΔТ эквивалентно по деформации повышению пластового давления на некоторую величину Δр. Эта связь определяется следующим выражением

ΔT=-(α(1-2η)Δp)/E_бα_t)

Это выражение позволяет определять приращение температуры горной породы, которое по деформирующему воздействию на массив эквивалентно приращению пьезометрического напора в фильтрующей толще основания, и наоборот.

← Геостатическое и трещинно-поровое давление в массиве