Principio de medición del flujo de calor superficial
1. Fórmula básica
No es fácil obtener el valor geotérmico de cada punto, pero el principio de medición no es complicado.
El calor siempre fluye desde un lugar con temperatura alta a un lugar con temperatura baja. El flujo de calor total ?Q es proporcional al gradiente de temperatura ?T/?Z, el área de la sección transversal ?S y. el tiempo ?t, es decir,
Introducción a la Geofísica de Sólidos
Definición del flujo de calor del suelo (q) y escrito en forma diferencial, entonces tenemos
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K aquí está la conductividad térmica (o conductividad térmica) de la roca. La unidad internacional de conductividad térmica es W/(m·℃).
Obviamente, si se conocen el gradiente de temperatura dT/dZ y la conductividad térmica de la roca K de un lugar, el valor del flujo de calor q en ese punto se puede calcular según la fórmula (8-1). Cabe señalar que esta fórmula se establece basándose en el principio de conducción de calor y no incluye radiación térmica ni convección térmica. Por lo tanto, el flujo de calor obtenido es un flujo de calor conductivo, no todo flujo de calor. También cabe señalar que el flujo de calor se calcula a partir de dT/dZ y K y no es una medición directa. Hasta la fecha, no existe ningún instrumento especial para medir directamente el flujo de calor superficial.
2. Determinación de la conductividad térmica K
La conductividad térmica K es un parámetro que mide la facilidad con la que fluye el calor a través de un material. La conductividad térmica de la tierra es muy pequeña. Por ejemplo, a una profundidad de 1 m, apenas se pueden sentir los cambios en la temperatura del suelo, e incluso si los cambios llegan, tardarán medio día en llegar. A metros de profundidad, sólo se pueden medir los cambios estacionales de temperatura, y se necesitan varios meses para alcanzarlo, a aproximadamente 1 km, todavía se pueden encontrar huellas de las bajas temperaturas dejadas por la era subglacial más reciente (hace 104a); . El efecto de histéresis de temperatura mencionado aquí se puede expresar mediante la difusividad térmica D, que se define como
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donde: K es la conductividad térmica ρ es la densidad; Calor específico a presión constante. La unidad de D es m2/(s·K). La difusividad térmica D de la mayoría de las rocas es muy pequeña, oscilando entre (0,5～2)×10-6m2/(s·K), o 15～60km2 según la geología. escala. Esto significa que si se produce un evento térmico a 100 kilómetros bajo tierra, se necesitarán entre 10 y 100 Ma para transmitirse desde allí a la superficie.
La conductividad térmica de la roca se ve afectada por la composición, la porosidad y las condiciones de temperatura y presión. Alcanza unos 50 km hacia abajo y se estima que la conductividad térmica es de 2,5 W/(m·℃). Los valores de conductividad térmica más bajos son inciertos. La Tabla 8-5 proporciona los valores de conductividad térmica de diferentes rocas o minerales bajo temperatura y presión estándar. La unidad en la tabla es W/(m·℃). Si se cambia a la unidad de uso prolongado μcal/(cm·s·℃), es necesario multiplicarla por 2,39.
Tabla 8-5 Tabla de valores de conductividad térmica de rocas y minerales típicos
Si se puede determinar el tipo de roca, se puede conocer la conductividad térmica de la roca mirando hacia arriba la mesa. A veces también se pueden medir otras cantidades físicas y luego convertirlas en conductividad térmica K. Por ejemplo, la resistividad térmica K-1 de las rocas sedimentarias del fondo marino tiene una buena relación lineal con el contenido de agua (%) como se muestra en la Figura 8-2. De esta manera, podemos medir el contenido de agua en lugar de medir la conductividad térmica K. A partir del contenido de agua, podemos obtener la resistividad térmica (K-1) mirando el gráfico, y así obtener la conductividad térmica K.
Figura 8-2 Relación entre resistividad térmica y contenido de agua de rocas sedimentarias del fondo marino
3. Determinación del gradiente de temperatura dT/dZ
En los primeros días, listo para usar En minas, túneles y pozos petroleros, los termómetros de mercurio miden directamente la temperatura a diferentes profundidades bajo tierra para calcular el gradiente de temperatura (llamado gradiente geotérmico). Hoy en día, se monta un termómetro electrónico (generalmente un termistor) en una sonda de alambre y se introduce en el pozo para medir la temperatura.
Los resultados promedio de las mediciones muestran que la temperatura subterránea aumenta con la profundidad en cualquier lugar. La tasa de aumento promedio (es decir, el gradiente de temperatura) en áreas no volcánicas es por cada 100 metros de profundidad en áreas no volcánicas. , la temperatura aumenta aproximadamente 3°C.