Геотермометрия

Вводные замечания. Геотермометрия объединяет физические методы исследований естественного теплового поля Земли с целью выявления и изучения геотермических ресурсов, решения поисково-разведочных и инженерно-гидрогеологических задач. Тепловое поле определяется внутренними и внешними источниками тепла и тепловыми свойствами горных пород. При терморазведке регистрируют радиотепловое и инфракрасное излучение земной поверхности, измеряют температуру, ее вертикальный градиент или тепловой поток. Распределение этих параметров в плане и по глубине несет информацию о термических условиях и геологическом строении изучаемого района.

Общая характеристика теплового поля Земли. Источниками теплового поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах, и тепловая энергия Солнца. К внутренним источникам относится радиогенное тепло, которое создается, благодаря распаду радиоактивных элементов, а также тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле. Ими могут быть гравитационная дифференциация, плавление, химические реакции с выделением или поглощением тепла, деформация за счет приливов под действием Луны и Солнца и т.д. Тепловая энергия этих источников высвобождается на земной поверхности в единицу времени. Она значительно выше энергии тектонических, сейсмических, гидротермических и иных тепловых процессов.

Суточные, сезонные, многолетние и многовековые изменения солнечной активности приводит к соответствующим циклическим изменениям температуры воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия. Например, суточные колебания температуры воздуха сказываются в почвенно-грунтовом слое мощностю до 1,5 м. Это связано с особенностями переноса солнечного теплового потока за счет молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрации осадков и подземных вод. Сезонные колебания температур вызывают изменения теплового баланса уже до глубины 20-40 м. Вековые и многовековые климатические изменения сказываются на вариациях температур до больших глубин, измеряющихся в несколько километров. Свидетельством этого является реликтовая вечная мерзлота, мощность которой местами достигает 800-900 м.

Таким образом, если не учитывать многолетние климатические изменения, то можно прийти к выводу, что ниже зоны климатического влияния температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств горных пород.

Региональный тепловой поток в земной коре. Ниже нейтрального слоя – граничным между климатическим и геотермическим влиянием, происходит систематическое повынение температур в среднем 3°. на 100 м. Это явление называется тепловым потоком. Среднее его значение одинаково как на материках, так и в океанах и составляет 0,006 Вт/на кв.м. Аномалии теплового потока конкретных регионов несут информацию об особенностях их строения земной коры и верхней мантии.

Считается установленным фактом, что основным источником тепла является энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, нежели в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основным источником тепла являются процессы, происходящие в мантии на глубинах 700-1000 км.

Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. С наибольших глубин тепло поступает за счет излучения. В приповерхностных слоях мантии преобладает конвекция – главная движущая сила литосферных блоков и расплавленных лав при вулканизме и гидротермальной деятельности.

Локальными источниками теплового потока, вызывающие аномалии температур являются следущие: наличие многолетнемерзлых пород, наличие пород и руд с повышенной радиоактивностью, влияние экзотермических и эндотермических процессов, происходящих в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля, сульфидных и др. руд, проявление современного вулканизма и тектонических движений, циркуляция термальных вод и др. Роль каждого из них определяется особенностями геолого-гидрогеологического строения.

Таким образом, как локальные тепловые потоки, так и региональные, зависят не только от наличия источников, но и от условий переноса тепла за счет теплопроводности горных пород, конвекции приземного тепла и подземных вод.

Тепловые и оптические свойства горных пород. Основным параметром теплоразведки является теплопроводность. Она характеризуется способностью сред и горных пород передавать тепло. Теплопроводность горных пород зависит от минерального состава, структуры, текстуры, плотности, пористости, влажности и температуры. Способность поглощать горными породами тепловую энергию называется теплопроводностью. Скорость изменения температур при поглощении или отдачи тепла называется температуропроводностью. Обобщающей характеристикой тепловых свойств пород является понятие тепловой инерции. Она используется при тепловых аэрокосмических съемках и характеризует суточный ход температур в пределах разных ландшафтов и обнаженных горных пород. Знание тепловых свойств горных пород необходимо для интерпретации данных скважин, при глубинных геотермических исследованиях, выявлении отдельных групп полезных ископаемых,проведению некоторых тепловых расчетов с целью изучения тепловых свойств изучаемых сред. Тепловые свойства горных пород изучают с помощью инфракрасной съемки.

Методика и принципы обработки информации, области применения терморазведки. Терморазведка включает следующие направления и методы исследований: а) радиотепловые и инфракрасные съемки, б) региональные термические исследования, в) поисково-разведочные и г) инженерно-гирогеологические термические исследования.

Методика радиотепловых и инфракрасных аэрокосмических съемоксъемок мало чем отличается от известных фототелевизионных съемок. Она осуществляется в инфракрасных диапозонах спектра света и имеет ряд «окон прозрачности» в диапозонах волн: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,2; 4,5-5,1; 8-13 мкм и др. Аэрокосмические, радиолокационные и инфракрасные съемки используются для исследования природных ресурсов Земли, инженерно-геологических изысканиях, при проведении военных действий, почвенно-иелиоративных исследованиях при изучении снежного, ледяного покрова, подледног рельефа, охраны окружа.щей среды, экологических и спасательных мероприятий.

Региональные термические исследования сводятся к высокоточному неоднократному измерению температур (с точностью до 0,001°С), их прирощений в глубоких скважинах, горных выработках и донных осадках озер, морей и океанов. Чтобы исключить влияние сезонных колебаний температур, замеры ведут на суше на глубинах свыше 50-100 м., а на водных акваториях – на глубинах свыше 300 м.

Графики и карты температур или их градиентов используют для расчетов геотермических градиентов тепловых потоков. Интенсивность теплового потока расчитывают по геотермическому градиенту (Г) и теплопроводности горных пород (λг), определяемой на образцах горных пород и донных осадков или с помощью специальных термометров

Геотермическая ступень или величина обратная геотермическому градиенту составляет в разных геотектонических условиях разные значения:

1. на кристаллических щитах – 100м/град,

2. на платформах – 30 м/град,

3. в областях новейшего вулканизма – 5-20 м/град.

Минимальные тепловые потоки наблюдаются на докембрийских щитах, платформенных равнинах, в глубоководных впадинах и составляют от 0,02 до 0,04 Вт/кв.м. Максимальные значения теплового потока наблюдаются в рифтовых долинах и участках вовременного вулканизма и составляют от 0,2 до 0,4 Вт/кв.м.

Региональные термические исследования служат для выявления термического режима и состояния недр Земли. Эта информация является важным источником для геотектонического моделирования обстановок. Практическое использование такой информации связано с оценкой геотермических ресурсов регионов. На ней основаны поиски рарогидротерм, термальных вод, подземных тепловых котлов или перегретых пород, куда можно закачивать воду, нагреватьее и использовать для получения дешевой электроэенергии и в теплоснабжении.

Поисково-разведочные термические исследования используются в комплексе с другими геофизическими методами на рудных, угольных, нефтяных и газовых месторождениях. Производят измерение температур в скважинах наземного и подземного бурения. Систему наблюдений приспосабливают к имеющейся сети скважин. Температуры измеряют в отдельных точках по стволу скважины. При достаточной густоте точек площадных наблюдений строят карты изотерм для одинаковых глубин, карты средних геотермических градиентов и др.

Интерпретация таких материалов обычно качественная и сводится к выделению локальных аномалий термического поля. Затем их сравнивают с материалами других геофизических съемок и геологической информацией.

Инженерно-гидрогеологические термические исследования проводят в неглубоких 10-30 м скважинах с установившимся термическим режимом. При этом изолируют волоносные горизонты от скважин. В разных природных условиях получаемые геотермические профили и карты служат для оконтуривания а) многолетнемерзлых и талых горных пород, б) изучения динамики подземных вод, в) прогноза приближения забоя выработок к обводненным зонам, г) скорости фильтрации подземных вод из водохранилищ, каналов, рек и стволов скважин, выявления интервалов, где утечки отсутствуют. Участки сосредоточения фильтрации определяют по температурным аномалиям, знак которых зависит от температурных режимов акваторий. Более четкие результаты получают при искусственном электрическом подогреве воды во всех точсках измерений. По скоростям восстановления температур можно установить не только наличие, но и скорости фильтрации.