29 вариации конвективного теплового потока верхних слоев

науки о земле
ВАРИАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
ВЕРХНИХ СЛОЕВ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Н.Н. Христофорова, И.С. Абросимова
Казанский государственный университет
CONVECTIVE HEAT FLOW VARIATIONS
OF UPPER LAYERS OF THE EARTH’S CRUST
N.N. Khristoforova, I.S. Abrosimova
Данная работа посвящена анализу замеров температур и
геотермических градиентов. Выявлены роли различных факторов
в формировании геотемпературного поля и связи его с проблемами нефтегазоносности. В статье представлены результаты
региональных исследований распределения тепловых потоков
Урало-Поволжья.
Ключевые слова: геотермия, конвективный тепловой поток.
This paper is dedicated to analysis of temperature and geothermal gradient measurements. Role of different factors in forming of
geothermal field and its connection with oil-and-gas content problems
are displayed. Results of heat flow distribution researches of Ural-Volga
region are presented.
Теоретически обоснованная и практически
апробированная скважинная термометрия, региональные исследования распределения температуры
и тепловых потоков, изучение процессов тепломассопереноса в недрах – все это в комплексе определяет
развитие перспективного научного направления,
которое кратко формулируется как геотермия областей нефтегазонакопления.
Исследования по данной проблеме проводились
авторами в течение более чем 30 лет на кафедре
радиоэлектроники Казанского государственного
университета в рамках фундаментального направления: Физическая динамика гетерогенных сред. Цель
таких исследований заключалась в изучении неоднородного теплового поля литосферы и выявлении его
роли в процессах нефтегазонакопления.
Комплекс исследований, основанный на большом экспериментальном материале – измерениях
температуры и термоградиента в 1078 скважинах
с установившимся тепловым режимом, позволил
выявить главные факторы, формирующие тепловое
поле литосферы, которое в пределах изученных нефтегазоносных провинций имеет сложную структуру, как в региональном, так и в локальном масштабе.
Основные закономерности строения геотемпературного поля Волго-Уральского региона определяется
вариациями глубинных и конвективных тепловых
потоков, а также рядом других факторов: распределением пород с различными теплофизическими
и емкостными свойствами, структурным планом,
рельефом местности и др.
Для Волго-Уральского региона, составленного, в
основном, из проницаемых толщ, основным механизмом, приводящим к формированию залежей, является
градиент давлений, т.е. фильтрация, поэтому залежи
углеводородов расположены здесь, в основном, в зонах повышенных температур. Именно поэтому здесь
выявлена четкая зависимость между распределением
конвективных тепловых потоков в пластах и расположением месторождений нефти и газа.
То, что в формировании залежей полезных
ископаемых огромное значение имеет гидрогеологическая обстановка, признается многими исследователями, причем некоторыми особо отмечается
роль динамики подземных вод инфильтрационного происхождения, разрушающих залежи нефти
(Т.И. Зайдельсон, Л.Н. Капченко, М.Е. Королев,
Е.И. Синявский и др.). Однако во многих районах, например, на Татарском своде, выделение зон
питания и разгрузки по данным гидродинамики
(пьезометрические уровни) и гидрогеохимии (минерализация вод) является приближенным из-за недостатка данных. Многочисленные данные по тепловому режиму этого района позволили оконтурить
каждую такую зону по каждому пласту. При этом
наблюдалось хорошее соответствие расположения
гидродинамических зон с расположением зон нефтегазоносности. Как показал анализ, коррелируемость
этих двух параметров очень высока.
Большая часть наших измерений температуры
и теплового потока использована при составлении
карт в международном каталоге [4].
Keywords: geothermy, convective heat flow.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Методика определения теплового потока базируется на известном законе Фурье, связывающем
градиент температуры T и коэффициент температуропроводности горных пород λ [2]:
q = λ × gradT
Выделение из наблюденного значения q экс
конвективной составляющей qкв проводилось по
формуле:
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2010/1
29
науки о земле
qêâ = qãё- qýêñ[1].
Более подробно методика изложена в работе [3].
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ВАРИАЦИИ
КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Закономерности изменения величины конвективного теплового потока в региональном плане
представлены на сводных гидрогеотермических
разрезах (рис. 1) и заключаются в следующем:
1. Конвективный тепловой поток в проницаемых пластах с глубиной уменьшается до нуля,
экспериментальное значение теплового потока соответственно увеличивается до глубинного теплового потока.
2. Все терригенные малопроницаемые толщи
выделяются отрицательными значениями конвективного теплового потока (горизонты дополнительно прогреты), т.е. линия qкв прерывистая.
3. При наличии региональной непроницаемой
толщи линия qкв претерпевает излом и в нижележащих пластах близки к нулю.
Очевидно, эта гидрогеотермическая граница
(HГТ), характеризующая глубину, где кончается региональное влияние движущихся подземных вод на
тепловое поле, разделяет зоны с разным типом водообмена. Расчеты показывают, что в глубоко залегающих горизонтах движущиеся по наклонным пластам
воды с такими же скоростями фильтрации, что и
инфильтрационные воды, порядка сантиметров в
год, дают эффект в тепловое поле на 2–3 порядка
меньший, лежащий в пределах погрешности опреде-
ления теплового потока. Физический смысл гидрогеотермической границы в следующем: она разделяет
два гидрогеологических этажа – верхний, где идет
вертикальная фильтрация вод и имеется прямая
связь подземных вод с поверхностными и нижний,
где движение подземных вод осуществляется только
по наклонным пластам. В некоторых районах HГТ
соответствует выделенной по гидрогеологическим
данным границе, разделяющей зоны замедленного
и весьма замедленного водообмена.
Средняя глубина залегания гидрогеотермической границы для северних районов Урало-Поволжья равна 1300 м, для южных – 1250 м, отличие
заключается в том, что неодинаково нарушены
отдельные стратиграфические толщи.
Анализ распределения конвективного теплового потока по пластам на каждой исследованной
площади позволил выявить глубину локального
влияния подземных вод на тепловой поток.
Вариации конвективных тепловых потоков по
регионам составляют более 200% от qкв среднего и
тесно связаны со структурой верхних слоев земной
коры, определяющей направление и скорости движения подземных вод, зоны их питания и разгрузки.
Наиболее наглядно действие всех факторов
отражается на схемах изолиний конвективного теплового потока (рис. 2). В Урало-Поволжье хорошо
прослеживается связь конвективного теплового
потока в данной точке с принадлежностью точки
к тому или иному типу структурно-тектонических
элементов – своды и поднятия характеризуются
высокими значениями конвективного теплового по-
Рис. 1. Сводный гидрогеотермический разрез по южным (а) и северным (б) районам Урало-Поволжья. Пунктиром выделена
гидрогеотермическая граница. Стрелками показана толщина верейского горизонта
30
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2010/1
науки о земле
Рис. 2. Схема распределения конвективного теплового потока в толще карбона C1sp-ok. Изолинии проведены через 5 мВт/м2.
Тонкие линии – границы структурно-тектонических элементов
тока, а впадины и прогибы – относительно низкими.
Распределение по площади региона конвективного
теплового потока в пластах-водоупорах небольшой
мощности подчиняется иной закономерности – оно
зависит от наличия инфильтрационного движения
холодных вод или разгрузки теплых вод по выше- и
нижележещим проницаемым толщам.
Конвективный тепловой поток определяется
статическим фактором – формами рельефа различных поверхностей: кровли фундамента, пластов
горных пород, земной поверхности, отражающими
«древние» эпохи тектонической активности. Глубинный же поток зависит от процессов, происходящих
в современную эпоху.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении мы бы хотели подчеркнуть возможность и перспективность применения геотермических методов в разведочной геологии.
Авторы выражают огромную признательность сотрудникам Казанского государственного
университета, принимавшим участие в проведении
температурных измерений в скважинах. Особая
благодарность профессору Н.Н. Непримерову.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фролов Н.М. Гидрогеотермия. М.: Недра, 1976. 280 с.
2. Христофорова Н.Н. Конвективные ячейки в мантии
и тепловой поток // Георесурсы. 2001. № 1(5).
С. 20–27.
3. Христофорова Н.Н., Непримеров Н.Н. К вопросу о
точности карт теплового потока Урало-Поволжья.
Нефть и газ. 1985. № 2. С. 9–16.
4. Geothermal Atlas of Europe. Hurting E., Čermák V.,
Haenel R. and Zui V.I. (еds.). Potsdam: Goth. Publ.
House, 1991.
Христофорова Наталья Николаевна, д.г.-м.н., доцент, в.н.с.
кафедры радиоэлектроники Казанского государственного университета.
Абросимова Ирина Семеновна, аспирант кафедры радиоэлектроники Казанского государственного университета.
420008, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18, тел.: (8927) 407-23-88,
e-mail: Natalya.Khristoforova@ksu.ru, AbrosimovaIrina@yandex.ru
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
2010/1
31