CC BY
54
Г.В. Сонин
Казанский государственный педагогический университет E-mail: georesources@ksu.ru
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВОГРУНТОВ И ТЕМПЕРАТУРА НЕЙТРАЛЬНОГО СЛОЯ ТЕРРИТОРИИ СНГ
Рис. 1. Карта температур нейтрального слоя.
Температурное поле верхней части земной коры континентов формируется под влиянием двух тепловых потоков - экзогенного, солнечного, имеющего сезонную периодичность и направленного большую часть года сверху вниз и эндогенного, постоянного, направленного вверх из недр к поверхности Земли.
На температуру поверхности и распределение солнечного потока влияют такие факторы, как угол падения лучей, альбедо поверхности, теплообмен с приземным слоем воздуха, толщина и длительность лежания снежного покрова, растительность, обилие атмосферных осадков и др.
Эндогенный тепловой поток зависит от теплопроводности почвогрунтов и подстилающих горных пород, их пористости и влажности, а также от скорости водообмена в водоносных горизонтах. В геологическом масштабе времени значение имеют колебания климата (Миланко-вич, 1939), направление колебательных тектонических движений, скорость осадконакопления и денудация поверхности (Череменский, 1972).
Встреча или стыковка двух тепловых потоков осуществляется в слое постоянных годовых температур, в так называемом «нейтральном слое» (Рис. 1).
Сезонные колебания на поверхности почвы, строго говоря, не являются гармоническими. Непериодические
и суточные краткосрочные колебания вызывают отклонения от строго синусоидального хода значений температуры почвы. На некоторой глубине (около 1 м) все нерегулярности затухают, и в глубь Земли проходит только первая гармоника, поэтому ниже глубины промерзания грунтов (фазовых переходов вода-лед) ход температуры практически синусоидальный (Рис. 2).
Вся толща почвогрунтов, где имеются колебания температуры, называется деятельным слоем, а глубина полного затухания периодических сезонных температурных волн называется слоем постоянных годовых температур или нейтральным слоем (Рис. 2). Ниже нейтрального слоя начинается геотерма. Практически в скважинах нейтральный слой образует протяженную, в несколько метров, безградиентную зону, плавно переходящую в геотерму.
Для геотермического поля планеты температура нейтрального слоя является верхним граничным условием, определяющим температурную зональность недр до больших глубин. Широтная зональность в недрах аналогична поверхностным ландшафтным зонам, которая только на глубине генерации магм и ультраметаморфизма искажается собственными очагами тепломассопереноса в мантии (Непримеров и др., 1989). Это верхнее гранич-
Поверхность почвы -10 О
Нейтральный слой Рис. 2. Характер затухания температурных волн в деятельном слое при а = 0,002 м2/час и нейтральный слой Ннс = 15 м, Тнс =10 "С.
ное условие имеет вид:
(1)
где 7\ - температура на подошве /-го слоя, мощностью Н;
г
Г - градиент температуры в г-том слое;
Ти - температура слоя постоянных годовых температур (нейтрального слоя).
От 7" и // , т.е. температуры и глубины залегания нейтрального слоя зависит так же тепловой фон и характер инфракрасного (ИК) - спектра уходящего излучения Земли. Тепловые свойства почвогрунтов в слое сезонных колебаний температур, т.е. деятельном слое, при этом играют роль фильтра, искажающего спектр уходящего эндогенного ИК-излучения.
Поэтому знание теплофизических параметров деятельного слоя, температуры и глубины залегания нейтрального слоя представляют громадный интерес как для геотермики Земли, так и для дистанционных (спутниковых и аэрофото-) методов изучения планеты.
Попытки определения Т из метеорологических и скважинных наблюдений предпринимались с конца прошлого века. Они основывались на решении уравнения теплопроводности для стационарного теплового процесса. Позднее (Огильви, 1931, 1966; Кудрявцев, 1959; Чуд-новский, 1948, 1962; Фролов, 1966; Шульгин, 1967; Ван Дюген, 1956; Ван Вийк, 1968) предпринимали попытки использовать волновое уравнение Фурье при переменных граничных условиях. В Казани такие попытки предпринимались Н.И. Лобачевским, А.Я. Купфером и Н.М. Симоновым намного раньше. Низкая эффективность таких исследований была связана с неустойчивостью теплофизических свойств почвогрунтов, неоднозначностью получаемых результатов (Чудновский, 1948).
В прошлом веке академик П.И. Вильдт с целью получения более надежных результатов ввел режимные на-
блюдения за температурой почвы на глубинах 0,4; С0 0,8; 1,6; 2,4; 3,2 м и т.д. и убедил Европейский Метерологический комитет, а затем и весь мир последовать русской методике. С тех пор накоплен громадный материал по температурному режиму почвогрунтов, который, к сожалению, так и не стал базой для подсчета теплового баланса поверхности Земли. Непостоянство и неуловимость коэффициента теп-. лообмена на поверхности почвы не позволили сделать это достойным образом (Будыко, 1956), но традиция измерения температур в почве, к счастью, сохранилась.
Развитие геофизики, и геотермии в частности, заставило науку по иному взглянуть на этот громадный массив метеорологической информации. H.A. Огильви (1966) предложил метод расчета глубины и температуры залегания нейтрального слоя по данным ГУГМС. Более 2000 точек (метеостанций) покрывают территорию бывшего СССР. Применительно к этим данным была выведена формула определения глубины нейтрального слоя:
1
Ahn
H=h0+—J— lg д
"c ige V it A,
(2)
где АИо - амплитуда температурных колебаний на глубине А , обычно выбираемой ниже глубины промерзания грунтов (в гидрометслужбе - 1,6 и 3,2 м);
А - амплитуда температурных колебаний на нейтральном слое, определяемая как предел точности замера температуры и равная в гидрометслужбе 0,1 "С;
т - период годовых температурных колебаний - 365 дней.
Для замеров на глубине 1,6 и 3,2 м эта формула выглядит соответственно следующим образом:
Я([ 6) = 1,6 + 24,8л/а lg 10 А, tf(32) = 3,2 + 24,8VälglOA:
(3)
Амплитуда Aho (Al 6hAJ2)b любой точке территории находится по картам, построенным по данным ГУГМС (Огильви, 1966), а коэффициент температуропроводности «а» подбирается из таблиц Чудновского (1962) для соответствующих почвогрунтов, указанных в описаниях метеостанции.
Проводя по инициативе профессора H.H. Неприме-рова в 1968 году ревизию всех материалов по исследованию нейтрального слоя, автор (Сонин, 1971) обратил внимание на всеобщий недостаток предпринимаемых расчетов. Он состоял в том, что при подборе коэффициентов температуропроводности «а» из таблиц Чудновского или Кларка заведомо вносится неопределенность, связанная с колебаниями значений температуропроводности, как функции пористости, зернистости и влажности грунтов. Диапазон этих колебаний превышает 1-1,5 порядка величины.
Н.М. Фролов (1966) построил свою карту температуры нейтрального слоя, используя поправки за высоту расположения гидрометеостанции с помощью статистически выведенного аэротермического градиента, внеся тем самым еще одну группу ошибок.
Метод Огильви может быть улучшен и доведен до
1 1.5 2 3^4 56789
1.5 2
и тогда имеем
0,4 0,8
1,6
2,4
К= 3-2
4
h,
!г(м)
\
Рис. 3. Логарифмическая аноморфоза затухания температурных волн в деятельном слое.
логического завершения, если учесть, что коэффициент температуропроводности почвогрунтов может быть получен из тех же данных, из которых получены амплитуды температур (Сонин, 1971). Для вычисления коэффициента «а» достаточно провести огибающие экспоненты экстремальных температур в почве, получаемых Гид-рометслужбой на разных глубинах.
Усовершенствованный метод определения температуры нейтрального слоя Тнс и коэффициента температуропроводности «а» позволяет избежать указанные недостатки расчетов и отказаться от таблиц Чудновского. Вкратце он сводится к следующей процедуре обработки данных ГУГМС:
1. На основе многолетних замеров температур на станциях ГУГМС строятся огибающие экспоненты среднемесячных температур в почве, измеренных на глубинах 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,4; 3,2 м (Рис.2).
2. Полученные min и тах значения температур наносятся на логарифмический бланк (строится логарифмическая аноморфоза). Причем ось температур берется в логарифмическом масштабе, а ось глубин - в натуральном.
3. Точка пересечения огибающих экспонент (в логарифмическом масштабе двух прямых) определяет Т и глубину hr на который амплитуда годовых колебаний равна 1°С (Рис. 3).
Угол пересечения экспонент дает декремент затухания температурных волн
Д =
In Ah0 - In Л/г,
К~К
(4)
Откуда легко получить коэффициент «а», учитывая, что Iil4/г; = lgAh: = 0
_ In Ah0 _ гк
hQ—h^ V ат '
л
а -
Д Т
к т
h0 ~ h} In А.
(5)
Применительно к данному случаю упрощается формула для определения глубины залегания нейтрального слоя путем подстановки в уравнение (2) вместо И значения /г, - определяемого графическим путем и АИ1 = 1°.
или
Ннс = /г, + 24.8л/а
(6)
При точности замеров в скважине, достигающей 0,01°С
(7)
Полученные таким методом значения коэффициентов температуропроводности а и глубины залегания нейтрального слоя - Ннс более точны и, самое главное, столь же представительны, как значения амплитуд, поскольку основаны на тех же исходных данных. Надобность в табличных данных, которые заведомо не могут быть представительны для каждой из 2000 станций Гидрометслуж-бы, отпала. Многолетние средние для всех станций ГУГМС обеспечивают высокую надежность и представительность расчетов параметров деятельного и нейтрального слоев и пригодны для построения генерализованных карт. Таким образом, были построены карты температур (Рис. 1) и глубин нейтрального слоя (Сонин, 1971; Sonin, 1996). Аналогично строятся карты декремента затухания и температуропроводности почвогрунтов.
Правомерность использования среднемесячных значений температур в почве для вычисления амплитуд и декремента затухания тепловых волн была подтверждена специальными теоретическими исследованиями (Цей-тин, 1956; Штокман, 1970) и нашим эмпирическим опытом построения логарифмических аноморфоз для нескольких сотен станций, расположенных в различных по-чвенно-климатических зонах и на различных гипсометрических уровнях.
Из теории следует (Лыков, 1968), что в капиллярно-пористых грунтах и низко-интенсивном влагопереносе (GrxPr) < 103 экспоненциальный ход экстремумов температур может объясняться не1 обязательно истинным, а, возможно, и скорее всего - эффективным значением параметра «а». Прямые линии логарифмической аномор-фозы подтверждают это для подавляющего большинства гидрометеостанций.
При построении карты температур нейтрального слоя применялись и другие приемы определения Тнс - по точке пересечения экспоненты максимальных среднемесячных и среднегодовых температур с глубиной, определяемой по методу H.A. Огильви. Во многих точках Азиатской части страны, где отсутствуют замеры температур на глубинах 3,2 м и даже 1,6 м, расчеты проводились по среднегодовым температурам поверхности почвы Тд или воздуха 7\ Для этой цели были построены графики корре-
книги
ляционной зависимости глубинных, поверхностных и температур воздуха: Т}- Т0, Т0— Г и Т— Т} .
Отклонения, полученные разными способами от истинных значений температуры на глубине 3,2 м в некоторых случаях превышали 0.5 °С, но не были выше 1°С и как правило, колебались в пределах ± 0,3 °С. Так температура нейтрального слоя в Татарстане меняется от 6 ± 0.5 (Ромаш-кинское месторождение) до 7.3 °С (Бавлинское месторождение) и глубина залегания от 20 — 30 (Ромашкинское месторождение) до 40 - 60 м (Алтуно-Шунакский прогиб).
В заключении отметим, что нашими собственными
и
экспедиционными исследованиями, геотермической группой проф. H.H. Непримерова на сотнях пьезометрических, контрольных и простаивающих скважин нефтяных, газовых и термальных местрождений Поволжья, Приуралья, Притиманья, в Западном Казахстане, в Средней Азии, Западной Сибири, на Камчатке, Украине, Бе-лорусии, Северном Кавказе, в Закарпатье и др. точках точность карты Тнс была подтверждена прямыми замерами.
Благодарность. Автор выражает свою искреннюю признательность проф. H.H. Непримерову, А.Н. Саламатину, В.Я. Волкову, В.Е. Шилову, Е.И. Синявскому, A.B. Христофорову и всем сотрудникам кафедры радиоэлектроники, принимавшим участие в обсуждениии вопросов, возникавших при работе над картой и ее проверке в экспедиционных условиях.
От дрейфа материков к тектонике литосферных плит
Учебное пособие Г.В. Сонин Научный редактор: проф. H.H. Непримеров ISBN 5-87730. 1999. КГПУ. 59с.
Работа предназначена студентам, аспирантам, учителям географии и всем интересующимся актуальными проблемами геологии.
Геологи, геофизики и географы много десятилетий пытались найти основные законы строения и развития Земли и понять устройство рельефа ее поверхности. Достижения последних лет в океанологии, палеомагнетизме и исследовании планет помогли понять причины дрейфа материков и внутреннюю геодинамику земного шара. Используя исторические материалы, личные впечатления и собственные исследования, автор помогает разобраться в лабиринте гипотез и теорий и понять существо нового взгляда на Землю.
Кондуктометрический метод
Литература
Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Гидрометиз-дат. 1956. 255.
Лыков A.B. Теория сушки. Энергия. 1968.
Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. ГОНТИ. 1939. 207.
Непримеров H.H., Пудовкин М.А., Марков А.И. Особенности теплового поля нефтяного месторождения. Казань. КГУ. 1968. 26-31.
Непримеров H.H. Мироздание. Казань. КГУ. 1992. 41-49.
Огильви H.A. Нейтральный слой в геотемпературном поле и методы определения его температуры. Геотермические исследования и использование тепла Земли. Наука. 1966. 100-109.
Сонин Г.В. Нейтральный слой и методы его изучения Термозаводнение нефтяных месторождений. Казань. КГУ. 1971. 137-140.
Фролов Н.М. Температурный режим гелиотермозоны. Недра. М. 1966. 156.Череменский V.K. Геотермия. Недра. 1972. 72-93. 186-196.
Чудновский А.Ф. Теплофизические свойства дисперсных материалов. Физматгиз.1962. 456.
Чудновский А.Ф. Физика теплообмена в почве. ГТИ. 1948. 220.
Цейтин Г.Х. О вычислении коэффициента температуропроводности и потока тепла в почву по осредненным температурам. Тр. ГГО, вып.60 (122). 1956.
Штокман В.Б. Избранные труды по физике моря. Гидрометеоиз-дат. 1970. 64-117.
Neprimerov N. N.. Khristoforova N. N., Kushtanova G. G. Correlation of heat flow with tectonics (convective cells) and hydrogeological fields. Revista Brasileira de Geofísica. N 7 (2), 1989. 129-139.
Sonin G.V. The Neutral Layer and Thermophysical properties of Eurasian Subsoi. The 30 Intern. Geol.Cong. Beijing. China. 1996.
анализа атмосферных
осадков и природных вод
—
СВИДЕТЕЛЬСТВО
Награждается СОНИН г.в..
доцент кафедры географии и г руководитель круж* педагогического университета, г. Казань. Татарстан. Россия, ад победу- в Ill-ем туре конкурса АсЭкО «Методика-XXI».
' .В.Б.Кали»
K.4Ö IOKTÍ
июпачбевдк}
tfpmuíUHMKj Комитет пи жо.ичнп при
"су.шрспктюП Думе Российской Фсдераиип
Коарлшигпр АсЭкО, Ч.теи Бюро Huciucro ж
Методическое пособие по изготовлению прибора и методике экологических исследований для школьных кружков
Г.В. Сонин Казань. 1997. 19с.
Работа отмечена Дипломом за победу в Ш-ем туре конкурса АсЭкО «Ме-тодика-ХХ1» 11.01.2001г.
Геннадий Владимирович Сонин
доцент кафедры физической географии
и геологии педагогического университета, кандидат геолого-минералогических наук. Научные труды по палеонтологии, стратиграфии, геофизике, экологии и АСУ автотранспорта. Опубликовал 2 монографии, методические пособия и около 80 статей. Сотрудник Татарской Энциклопедии, член учредитель МЭДРТ, член Всероссийских Палеонтологического, Географического и Менделеевского обществ. Участник 29-го (Киото, Япония) и 30-го (Пекин, Китай) Международных Геологических Конгрессов, двух Ассамблей Международного Геоде-зического и Геофизического Союза (Москва, 1971; Таньшань, 1996) и симпозиумов по стратиграфии перми, математической геологии и физике Земли. Воспитал 4-х Соросовских стипендиатов, имеет последователей среди учителей географов
и экологов, является победителем Всероссийского конкурса «Методика XXI» по экологии.
