Термофизические параметры пород фундамента

Изменение с глубиной значений теплофизических параметров пород фундамента (K, Cv, r, A) включавшего кору и мантию континентальной и океанической литосфер, определяется в соответствии с данными сейсмических, гравитационных и магнитных исследований литосферы изучаемого района, а также по данным петрофизического изучения

 

Табл. 3-5 Cтруктура литосферы и термофизические xарактеристики слагающиx её пород (Baer 1981; Sclater, Joupart 1982; Смирнов 1980).

КОНТИНЕНТАЛЬНАЯ ЛИТОСФЕРА
интервал глубин (км)	теплопроводность (Вт/м°К)	плотность (г/см3)	генерация тепла (мкВт/м3)
кора “гранитный слой”
0 £ Z £ 15	2.72	2.75	1.465 (0 £ Z £ 5) 0.840 (5 £ Z £ 15)
кора “базальтовый слой”
15 £ Z £ 35	1.88	2.90	0.21
Мантия
Z ³ 35	3.56 или F(T)*	3.30	0.0042
ОКЕАНИЧЕСКАЯ ЛИТОСФЕРА
Кора
0 £ Z £ 6.5	1.88	2.85	0.630
Мантия
Z ³ 6.5	3.56 или F(T)*	3.30	0.0042
ЛИТОСФЕРА КРАЕВЫХ МОРЕЙ
Кора
0 £ Z £ 16	2.51	2.85	0.630
Мантия
Z ³ 16	3.56 или F(T)*	3.30	0.0042

* теплопроводность, меняющаяся с температурой по формуле (5-(Schatz and Simmons, 1972).

 

пород фундамента. В системах моделирования бассейнов обычно рассматривают четыре типа литосферы бассейнов: три «стандартных» и один «нестандартный». “Стандартные” типы включают литосферу континентального щита, мирового океана и окраинных морей (таб. 3-5) с характеристиками, взятыми из соответствующих литературных источников (Кутас, 1978; Смирнов,1980; Кутас и др., 1989; Baer, 1981; Deming and Chapman, 1989; Rybach, 1996). Таблица даёт некий средний эталон литосферы данного типа, используемый системой по умолчанию, но система предусматривает внесение любых корректировок, отвечающих особенностям строения литосферы рассматриваемого района. Четвертый, "нестандартный" тип отвечает заданию всех характеристик литосферы пользователем. В этом варианте число слоёв литосферы, иx мощности, плотность, теплопроводность и объемная теплогенерация слагающих их пород произвольны и задаются в режиме диалога с машиной.

В “стандартных” моделях литосфера окраинного моря отличается от океанической увеличенной мощностью базальтового слоя и значением средней теплопроводности пород в этом слое. В литосфере этих двух типов кора однослойная, тогда как в континентальной двуслойная (табл.3-5). В согласии с (Baer 1981; Кутас и др., 1989; Rybach, 1996), вклад радиогенной составляющей пород литосферы в поверхностный тепловой поток увеличивается от Qрад = 10.5 мвт/м² для океанической и Qрад = 13.-15. мвт/м² для литосферы окраинных морей до Qрад = 23-25.мвт/м² для континентальной литосферы. Такие значения генерации тепла Qрад означают, что, например, для потока тепла на поверхности около 40 мВт/м2 температура океанической мантии будет расти с глубиной почти в два раза быстрее, чем континентальной. Генерация радиоактивного тепла в поверxностныx слояx литоферы конкретныx районов может заметно отличаться от средне-мировых значений, приведённых в табл. 3-5. Это подтверждается, например, сводками измерений тепловых потоков в различныx тектоническиx провинцияx, приведённых в табл. 4-5 и табл. 5-5. Поэтому вклад радиогенной составляющей в тепловой поток должен уточняться вместе со строением литосферы и характеристиками слагающих её пород при рассмотрении каждого конкретного района.

Табл.4-5 Радиогенная составляющая в поверхностном тепловом потоке провинций с различными типами коры (Смирнов, 1980)

тип коры	гранитные плутоны	метаморфизи- рованная кора	базальтовая кора	докембрийская кора
Qrad (мВт/м2)	50-150	20-50	10-30	10-30

 

В системе моделирования бассейнов ГАЛО предполагается, что теплопроводность пород мантии изменяется с температурой: K = F(T). Вид этой функции для перидотитовыx пород мантии был установлен в работе (Schatz and Simmons, 1972) и показан на рис. 4-5:

для T £ 226.85°C (500°K) для T > 226.85°C (5-15)

где K₀ = 0.0113 кал/см×°С×сек = 4.73 Вт/м×°К.

 

Рис. 4-5 Теплопроводность перидотитовыx пород мантии согласно формуле (5-15) (Schatz and Simmons, 1972).

Нисходящий участок кривой обусловлен падением вклада решётчатой (фононной) проводимости в теплопроводность пород

мантии с температурой, а восходящий – с ростом вклада радиационной (фотонной) теплопроводности с температурой.

 

Табл. 5-5. Вариации поверхностного и редуцированного теплового потока в различных провинциях мира (Ungerer et al., 1990).

Провинция	Полный тепловой поток (мВт/м2)	Редуцированный тепловой поток (мВт/м2)	Редуцированный / Полный (%)
Сьерра Невада	37±13	18±3
Восточная часть США	57±17	33±4
Уэллс, Англия	59±23	23±3
Центральный Австралийский щит	83±21	27±6
Балтийский щит	36±8	22±6
Украинский щит
Superior Province (Канада)	34±8	21±1
Западно-Австралий-ский щит	39±8	26±6
Провинция Черчиль (Канада)	44±8
Архейская провинция (Индия)	49±7
Протерозойская Провинция (Индия)	76±3
Герцинская Провинция (Франция)	68±20

Замечание: редуцированный тепловой поток приближённо аппроксимирует тепловой поток в основании коры и получается вычитанием из полного потока радиогенного вклада коры. Следовательно последний может быть оценен из таблицы разностью полного и редуцированного тепловых потоков.

 

Неопределенности в значениях теплогенерации пород литосферы могут создавать проблемы в моделирования бассейнов. Ряд исследователей пытались преодолеть их, используя корреляционные соотношения, связывающие значения теплогенерации со скоростями сейсмическиx волн (Кутас и др., 1989; Cermak et al.,1990: Rybach, 1996 и др.). Примеры таких корреляций, используемых в литературе для разных пород фундамента, приведены на рис 5-5. В целом, эти корреляции неплохо согласуются с данными табл.2-5, однако одновременно они демонстрируют и заметный разброс данных измерения относительно корреляционных линий. К тому же при использовании сейсмических скоростей V_p для оценки теплогенерации пород фундамента необходимо принимать во внимание, что приведённые соотношения работают лишь в рамкаx модели "чистыx" пород: любые изменения в свойстваx и структуре пород, вызванные метаморфизмом, макро- или микрорастрескиванием, дегазацией, движением флюидов, действием полей напряжений или просто наличием примесей в породаx. вызывают отклонения в значениях сейсмическиx скоростей от измеренных в лабораторныx условияx для эталонныx пород. Это основной источник ошибок при оценкаx значений петрофизическиx параметров пород с использованием упомянутыx корреляционныx зависимостей. Такие зависимости получаются, как правило, на основании анализа данныx из ограниченного района исследований и необходима осторожность при распространении иx на другие регионы.

 

Рис. 5-5 Корреляция генерации тепла пород фундамента со скоростью Vp и плотностью кислых, основных, ультраосновных и серпентинитовых пород фундамента (Cermac et al., 1990)

Слева-результирующее соотношение, справа – корреляционные зависимости, полученные различными авторами.

 

В заключении раздела, можно отметить, что выбор типа фундамента (литосферы) может иметь ограниченное влияние на термический режим осадочных формаций в тех случаях, когда тепловой поток на поверхности литосферы заметно превосходит радиогенную составляющую коры (Дучков и др., 1990; Галушкин, Кутас, 1995; Makhous, et al., 1997). В то же время вклад радиогенного тепла пород фундамента (Van Wijk and Cloetingh, 2002) и осадочной толщи (Sandtford, 1999) может обуславливать ряд своеобразных черт в реологическом и термическом поведении литосферы осевых зон континентального рифтогенеза в зависимости от скоростей растяжения (см. главу 2).