Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Строение, состав и тепловые свойства литосферы ( краткий обзор ).
1.1 Строение и состав литосферы 7
1.2 Исследование теплофизических свойств магматических горных пород 18
1.3 Тепловые свойства литосферы 21
Глава 2. Метод. Аппаратура 41
2.1 Краткая теория метода 43
2.2 Экспериментальная схема 51
2.3 Опробывание методики и экспериментальной схемы 60
Глава 3. Результаты измерений тепловых свойств магматических горных пород и их обсуждение 66
3.1 Тепловые свойства кварцесодержащих интрузивных пород 68
3.2 Породы основного состава 79
3,3 Улырабазиты 87
Глава 4. Тепловые свойства литосферы.
4.1 Теоретические предпосылки оценки теплопроводности в литосфере 104
4.2 Модели распределения тепловых параметров в литосфере . 113
Выводы 129
Литература 131
- Строение и состав литосферы
- Краткая теория метода
- Тепловые свойства кварцесодержащих интрузивных пород
- Теоретические предпосылки оценки теплопроводности в литосфере
Строение и состав литосферы
Известно, что литосфера Земли включает в себя земную кору и кровлю верхней мантии. Выделение этого слоя в единое целое вызвано тем, что он обладает механическими свойствами, присущими твердому телу. Непосредственно под жесткой литосферой в интервале глубин 70 250 км расположена астеносфера, т.е. слой повышенной текучести, который геометрически совпадает со слоем пониженных скоростей сейсмических волн. По-видимому процессы, происходящие в астеносфере, в основном, ответственны за тектоническую и вулканическую деятельность. По современным представлениям литосфере и астеносфере присущи большие горизонтальные неоднородности, наиболее глобальные из которых связаны с разделением земной коры на "континентальную" и "океаническую".
По строению и составу "континентальная" кора обычно подразделяется на три типа, соответствующих определенным зонам поверхности суши. К первому типу относят кору стабильных континентальных областей, таких как докембрийские щиты и платформы. Второй тип связан с зоной орогенических (.подвижных) областей, в которых наблюдаются существенные вариации в строении от региона к региону, затрудняющие систематизацию описания. Одной из главных областей такой зоны является Тихоокеанский пояс горных цепей, характеризующийся сильными деформаци - 8 -ями и признаками интенсивных вертикальных движений. Наконец, возможно выделение промежуточной зоны между стабильными и орогенными областями и соответствующего типа коры.
Кора стабильных регионов континентов имеет мощность 35 45 км и подразделяется на верхнюю и нижнюю со скоростями прохождения продольных сейсмических волн 5,0 6,5 и 6,5 7,5 км/с соответственно. Однако следует отметить, что такое представление дает лишь общую характеристику строения континентальной коры стабильных областей без учета региональных особенностей. Известно, например, что раздел между указанными слоями ( граница Конрада ) не является повсеместным и обнаружены области, где скорости сейсмических волн не испытывают резких изменений, монотонно увеличиваясь до глубин 40 км ( т.е. до границы Мохо ) [4, 12] .
Основываясь на данных геологии, петрологии и скоростях прохождения продольных сейсмических волн, был сделан вывод о кислом составе магматических или метаморфических пород верхней коры, что позволило сделать заключение о ее "гранитном" составе. Изучение же средней плотности кристаллических пород по различным регионам дало значение П 2,74 г/см3, что соответствует средней плотности гранодиоритов или кварцевых диоритов [54] .
Если о составе верхней коры стабильных регионов континентов можно говорить с большей долей достоверности, то природа нижней коры в тех же областях менее ясна. Скорости продольных сейсмических волн Vn = 6,5 7,5 км/с по данным [83] соответствуют породам типа базальтов, долеритов, габбро, т.е. основного состава. Отсюда был сделан вывод о соответстующем составе нижнего слоя коры для данных регионов.
Краткая теория метода
Измерение тепловых характеристик, как уже отмечалось, основано на использовании метода плоских температурных волн. Периодический тепловой поток создает колебания температуры на одной из поверхностей тонкой пластины. Эти колебания распространяются вглубь пластины и регистрируются на ее свободной поверхности термопарой. Для заданной толщины объекта и частоты периодически вводимой мощности запаздывание колебаний температуры на свободной поверхности относительно колебаний мощности ( разность фаз колебаний ) является функцией температуропроводности вещества и параметра Био (Bl)» характеризующего влияние теплообмена излучением с поверхностей на пространственно- временное распределение температуры в объекте. Амплитуда колебаний температуры при известной величине периодически изменяющегося теплового потока несет информацию о теплоемкости.
Для получения аналитических зависимостей, позволяющих рассчитать Q и Ср решается одномерное уравнение теплопроводности: лп-1 Д2Т с соответствующими граничными условиями. В используемой нами экспериментальной установке нагреватель, создающий периодически изменяющийся тепловой поток, зажат между двумя идентичными тонкими пластинами ( образцами ).
Тепловые свойства кварцесодержащих интрузивных пород
Гранитные породы и диориты широко представлены в верхних горизонтах земной коры и безусловно играют важную роль в формировании температурного поля континентальной литосферы. Нужно отметить, что имеющийся литературный материал по измерению тепловых характеристик кислых и средних изверженных пород в широком температурном интервале чрезвычайно скуден. Он представлен, в основном, единичными измерениями теплопроводности образцов указанных пород до температур порядка 600 - 700 К, осуществленными в работах Берча и Кларка, Кавады, Сакварелидзе [55, 84, 85, 100, 101] и высокотемпературными измерениями температуропроводности до 1100 - 1200 К, проведенными для групп гранитов и диоритов [ 44, 45 ] . Систематизировать этот материал довольно сложно.
Цель предпринятых измерений двоякая: способствовать увеличению информации о тепловых свойствах кварцесодержащих интрузивных пород в широком интервале температур и попытаться найти связь этих свойств с изменением химического или минерального состава и, в первую очередь, с содержанием кремниевой кислоты (Si02 ) или свободного кварца. Разные исследователи указыва-ли на возможность такой связи, но специальные измерения не проводились. Берч и Кларк, отмечая высокую теплопроводность гранитов, связывали ее с присутствием в породе кварца [ 84 J . Е.А.Любимова и др. также указывали на то, что граниты с большим содержанием кварца более теплопроводны [ 62 ] .
Для исследований в этой серии были взяты 6 образцов гранитов и 8 диоритов и кварцевых диоритов из коллекции образцов, отобранных Степнянской экспедицией Геологического факультета МГУ ( кафедра петрографии ) в районе Северного Прибалхашья. Использование для исследований образцов из одного месторождения в какой-то степени исключает влияние на тепловые свойства генетического признака и позволяет внести большую определенность в зависимость тепловых свойств от химического и минералогического состава. Химический анализ исследуемых горных пород приведен в таблице 2 . Из таблицы видно, что содержание кремниевой кислоты у исследуемых материалов изменяется в достаточно широких пределах от 55 до 76,6$, что несомненно благоприятствует выполнению поставленной задачи.
Теоретические предпосылки оценки теплопроводности в литосфере
На пути построения термической модели Земли большое внимание уделяется изучению распределения теплофизических характеристик в недрах планеты и, в частности, теплопроводности. Как правило в этом случае используются данные экспериментальных исследований и теория теплопроводности кристаллических диэлектриков Дебая, обогащенная идеями Пайерлса и других исследователей.
Основной принцип прогнозирования теплопроводности в мантии заключается в экстраполяции опытных результатов, получаемых для предполагаемого вещества мантии при нормальных условиях к термодинамическим условиям недр планеты. При этом большинство исследователей опирается на эмпирический закон Эйкена (ХН/Т) и на формулу Лейфрида и Шлемана, полученную ими на основе теории Пайерлса для решеточной теплопроводности кристаллического диэлектрика. Согласно этой формуле, теплопроводность обратно пропорциональна абсолютной температуре:
С тех пор накопился значительный материал по теплопроводности горных пород и минералов, часть которого представлена на рис. 51 . При построении указанных зависимостей нами использованы как данные собственных исследований [ 50 } , так и многочисленные литературные данные [55, 84, 85, 99-101, 108] На рис. 01 по оси ординат отложено термическое сопротивление -величина обратная теплопроводности, зависимость которого от температуры, как следует из рисунка, имеет следующий функциональный вид:
Второй член правой части этого выражения описывает термосопротивление, вызванное собственно фонон-фононным рассеянием и величина его прямопропорциональна абсолютной температуре, как и предсказывает теория. Что касается первого члена, добавочного сопротивления п , то он характеризует рассеяние фононов на макродефектах кристаллической структуры ( границы зерен, поры и т.д. ) и, как правило, в рассматриваемой нами области-температур не зависит от температуры. Нетрудно видеть, что величина этого члена определяется в значительной степени монолитностью вещества и растет при переходе от монокристалла к мономинеральным агрегатам и от последних к породе ( кварц-кварцевый песчаник, кальцит-мрамор-известняк ) ( рис.32.) [99-101, 108] . С уменьшением размеров зерна поликристаллической породы растет рассеяние на межзерновых границах, что и приводит к увеличению добавочного сопротивления. Величина В » как уже упоминалось, определяется фонон-фононным рассеянием внутри зерен и для пород одного типа ( состава ) есть величина приближенно постоянная. Как следует из рис. 32 , "дефектная" часть сопротивления, независящая от температуры сравнима по порядку величины с вкладом от 3-х фононных процессов переброса и, следовательно, не может быть игнорирована при прогнозировании теплопроводности оболочки и оценке нормировочных констант. Неучет этого фактора должен, на наш взгляд, существенным образом занизить получаемые значения коэффициента теплопроводности в мантии. Однако выражение (19) не пригодно для расчета теплопроводности в недрах планеты, поскольку в таком виде оно не учитывает влияние давления и изменения структуры вещества на величины fl и В Для члена, описывающего собственно фонон-фононное рассеяние, есть все основания использовать соотношение (18 ),так что: где р , Q jf являются функциями термодинамических условий и структуры, учитывающими влияние давления и изменения состава на теплопроводность.
