Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 [ 54 ] 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78

в своде очага существенно повышается, в подошве понижается. Поскольку конвективный перенос тепла в этих условиях явно преобладает, можно в первом приближении пренебрегать влиянием теплопроводных потоков внутри очага. Пусть объем расплава определяется цифрой 100ООО кл!*, высота h = 100 км, средний диаметр = 12 км, геостатический перепад температур в окружающей среде между верхней и нижней точками расплава ДГ = 1600° С. В предельном случае, при отсутствии теплопроводных потоков внутри циркулирующей массы, температура в кровле повысится, а в подошве понизится почти на половину геостатического перепада температур примерно 800° С. Такие примерно значения перепадов температур наблюдаются между выбрасываемой из недр вулканической лавой и температурой на поверхности земли. Следствием образовавшихся перепадов температур является усиление подтока тепла к основанию очага в сотни и тысячи раз по сравнению со стационарным геотермическим тепловым подтоком; сильное нагревание и плавление свода очага; нарушение термодинамического равновесия в среде многокомпонентного расплава. Тугоплавкие компоненты раствора, охлаждаясь, могут перейти в твердую кристаллическую фазу и, нагружая нисходящую часть циркуляциойного потока, усиливать циркуляцию и выпадать на дне очага. То же может произойти и с тугоплавкими компонентами расплавляемого свода. Поскольку на дне очага накаливается тугоплавкая фаза, то остаток расплава становится все более легким и текучим.

По мере плавления свода постепенно увеличивается объем каверны магматического очага и в то же время объем самого расплава. Однако объем расплава растет быстрее за счет приращения объема вещества при плавлении. Дополнительное приращение объема расплава в закрытой каверне погашается упругим сжатием всей жидкой массы расплава. Таким образом, с течением времени среднее давление в очаге неизбежно нарастает до предела прочности твердых стенок каверны. Затем следует разрыв стенок и разгрузка избыточного давления в расплаве, что ощущается на поверхности земли как землетрясение. После разгрузки давления цикл плавления свода и накопления избыточного давления в расплаве повторяется снова до следующей разгрузки и землетрясения и т. д.

Так как плотность расплава меньше, чем плотность окружающего нерасплавленного материала, то геостатический градиент давления в расплаве меньше, чем в окружающей среде. Поэтому максимальный избыток давления сосредоточен в верхней 5асти очага и именно здесь следует ожидать разрыв каверны. В то же время разрыв материала мантии возможен лишь в том случае, когда темпы накопления избыточного давления превышают скорость объемной пластической деформации стенок каверны очага. Б. Гутенберг [10] указывает, что «в большинстве сейсмоактивных зон относительно сильные толчки следуют один за другим с интервалами порядка 100 или 10 лет, тогда как время релаксации в процессах течения магмы имеет порядок примерно 1000-лет». Таким образом, избыточное давление в магмати-

ческом очаге, которое накапливается в течение интервала не свыше 100 лет, не может заметно уменьшаться в результате протекания процесса вязкого течения нерасплавленной магмы.

Циклические процессы, совершающиеся в магматическом очаге от землетрясения к землетрясению, приводят к постепенному перемещению расплава к поверхности земли и в конечном итоге при благоприятных условиях - к образованию открытого вулканического извержения. По пути перемещения расплава вверх растет его объем, а следовательно, и его сейсмическая активность. Анализы частоты, интенсивности и силы землетрясений, приведенные во многих монографиях, показывают, что частота и интенсивность землетрясений действительно существенно затухают с глубиной погружения эпицентра, что совпадает с выводами, вытекающими из излагаемой гипотезы.

Средняя энергия, высвобождаемая при землетрясении, оценивается в 10 эрг. Такая энергия в виде энергии упругого сжатия должна накаливаться в расплаве до момента его разрядки. В нервом приближении энергия упругого сжатия, высвобождаемая при относительно малом скачке давления, определяется формулой

AW==gVpAp, (Х.24)

где AW - энергия в эрг; V - объем расплава в см; р - среднее давление в расплаве в кГ/см; Ар - падение давления при разгрузке в кПсм; р - средний объемный коэффициент упругого сжатия расплава при давлении р в см/кг.

Так, для V = 10 км = Ю" см\ р = 0,5 • 10-" смУкг, р = = 10 кг/см, энергия разрядки AW = 10 эрг достигается при перепаде давлений всего лишь на Ар = 20 кГ/см. При этом объем каверны увеличивается на 1 кж (?0,001% от первоначального объема). Полученные цифры, по-видимому, отображают в определенной мере реальные соотношения. Объемы извергаемой лавы часто измеряются в кубических километрах. Небольшой перепад давлений при разрядке расплавленного очага обусловлен, возможно, небольшой прочностью на разрыв магматического тела.

В момент разрядки магматического очага в точке разрыва каверны образуется депрессия давления и в самом расплаве возникает бегущая волна депрессии, которая, отражаясь от стенок каверны, должна налагать на сейсмограмму свой индивидуальный затухающий спектр в зависимости от размеров и формы каверны. Детальное изучение таких спектров может оказаться полезным для идентификации и оценки габаритов магматических очагов.

Приведенные примеры иллюстрируют лишь некоторые следствия геотермической конвекции в недрах планеты.

ГЛАВА XI

ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

§ 1. ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ Средняя температура земной

ИССЛЕДОВАНИЯ поверхности около 15° С [10].

Колебания температуры на поверхности проникают в землю на ограниченную глубину. Суточные колебания затухают на глубине около 1 ж, а годичные на глубинах примерно 15-20 м. Этот уровень называют нейтральным. Ниже нейтрального слоя температура земной коры практически постоянна во времени и нарастает с глубиной, что свидетельствует о наличии теплопроводного потока от центра к поверхности земли. ]\1ощность этого потока в среднем равна ?1,2 -10" кал/см сек [10]. Если подсчитать теплопроводный расход тепла всего земного шара, то получим млрд. ккал/сек. Для получения такого потока тепла необходимо сжигать около 50 млрд. метана за сутки.

Благодаря простой зависимости между мош,ностью параллельного теплопроводного потока q, теплопроводностью X и градиентом температуры Г

q = Xr (XI. 1)

можно оценить значение теплопроводности горных пород по измеренному градиенту температуры, если уверены в том, что характер теплового потока стационарен, т. е. q = const.

В однородной толш,е горизонтально залегаюш,их осадочных пород геотерма стационарного теплопроводного потока в системе координат [Т, h], где Т - температура, h - глубина, представляется прямой линией с наклоном, соответствующим значению градиента температуры Г. При чередовании горизонтальных пластов с различными коэффициентами теплопроводности геотерма стационарного потока будет слагаться из прямолинейных отрезков с различными углами наклона (с различными градиентами температуры). Чем хуже теплопроводность данного пласта, тем больше значение градиента Г.

Отклонения геотермического потока от его стационарного состояния свидетельствуют о происходящих и происшедших уже событиях, повлиявших на состояние потока. Причинами, нарушающими стационарность геотермического потока, могут оказаться колебания