Способ определения динамики теплового поля от интрузивных массивов Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к геофизике и геотермии и может быть использовано при прогнозировании месторождений полезных ископаемых, а также при геодинамических исследованиях.

Целью изобретения является ускорение, упрощение, повышение точности и эко- номичности определения динамики тепловых полей от остывающих интрузивных массивов.

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью устройства, блок- схема которого представлена на фиг. 1. На фиг. 2 изображены кривые интенсивности освещения I (х)(фиг. 2а) и температуры остывания Т(х)(фиг.2б) прямоугольной призмы. Параметрами кривых являются, соответственно, глубина сечения светового поля Ь(мм) и время г(тыс. лет). На фиг. 3 показана эволюция теплового поля, полученного предлагаемым способом, от интрузивного комплекса (гранитоиды верхне-юрского возраста, Жирекенский район В. Забайкалья). Время остывания г дано в условных единицах времени (у. е. в).

Устройство содержит проекционную систему 1 с источником света, подключенным к блоку управления яркости 2, рамку 3, фототранспарант 4, объектив 5, диффузор 6 (например, молочное стекло) и плоскость регистрации 7 с возможностью параллельного перемещения.

Способ реализуется следующим образом. Изображения интрузий, принадлежащих к интересующему исследователя магматическому комплексу, задаются в виде фототранспаранта 4, где они представлены прозрачными пятнами 8 на черном фоне. Для этих целей, например, фотографируется выкопировка из геологической карты выбранного масштаба, где черной краской залиты интрузивные тела, от которых необходимо рассчитать палеотемпературное поле во вмещающей среде. Проявленная

ел

С

апА

09 О

ю о ел ся

пленка (негатив) представляет собой иско мый транспарант 4. Последний помещается в рамку 3 проекционной системы 1, например, в стандартный фотоувеличитель и проецируется на диффузор 6 в произвольном масштабе. Прозрачные изображения интрузивных тел на поверхности диффузора 6 пропускают световой поток, который рассеивается на элементарных неоднородностях диффузора, заполняющих контуры проецируемых изображений. Каждый элементарный излучатель площадью AS, находящийся в плоскости диффузора б, образует в точке А (Х0, YO, Z) плоскости наблюдения 7 световое поле интенсивностью

Д 1(0)-- -cos/.

R (X - Х0 )2 + ( Y - Yo )2 + Z2

(1)

где

расстояние от произвольной точки A(X0,Yo,Z) плоскости 4 до светящейся точки плоскости б, , E - напряженность освещающего поля.

Интенсивность суммарного светового поля 9 от всех элементарных излучателей площадью ДЗ, заполняющих изображение интрузий в плоскости 7. равна

2л

cos ft

ds.

R

Вычисление интеграла для площади тела определенной формы (прямоугольника, полосы, круга) приводит к выражениями. совпадающим с точностью до постоянной. со стационарными тепловыми полями от плоских тел аналогичной формы. Например, для светящегося квадрата со стороной, равной 2а, получим распределение интенсивности света вдоль вертикальной оси Z:

I(Z)- - Е

Я Г ft Л - or oiy.--- ,---

яZ/jfa +Z7

8 то же время.уравнение теплопроводности

#Т . #Т

|..

1 #Т

r9Z

(4)

с д Г

для стационарных тепловых полей (не зависящих от времени) сводится к уравнению Лапласа , решение которого для ана логичного плоского квадратного тела с поверхностным тепловыделением Q0 приводит к выражению вида

Qo 4,тА

arctg

а

Z V2a +Z5

(5)

гдеЯ коэффициент теплопроводности среды

Сравнение уравнений (3) и (5) показывает, что световое поле 3, рассеянное изображением интрузии, является аналогом

теплового поля с точностью до постоянных

2 Е

Q

-.-и С2- я , . л-4яА

причем, интенсив

ность освещения 0 диффузора - б эквивалентна тепловыделению тела Q. При

15 условии безразмсрности коэффициентов Ci и С2, полное подобие температурного и светового полей устанавливается при равенстве абсолютных значений коэффициентов (Ci)(C2). Откуда интенсивность освещаю20 щего светового поля 0 пропорциональна исходной температуре нагретого тела То:

(loHG/AHTo)

(6)

25Таким образом, согласно предлагаемому способу, интенсивность светового поля задают пропорциональной исходной температуре нагрева исследуемых геологических тел (интрузий), с помощью блока

30 управления яркостью 2. Соблюдение условий подобия (6) достигается методом экспериментального подбора.

Изменение полученного светового поля 9 с глубиной по координате Z соответствует

35 изменению эквивалентного ему теплового поля во времени г, на основании подобия безразмерных величин

40

(Z)K(r)

(7)

где К коэффициент пропорциональности, имеющий размерность скорости (м/с). Доказательство справедливости равенства 7 иллюстрируется на фиг. 2, где представлены

45 серии кривых остывания прямоугольной призмы шириной 2d, рассчитанные на ЭВМ по формуле, известной из теории термодинамики (фиг. 26) и измеренные в различных сечениях суммарного светового поля 9,

50 согласно заявляемому способу (фиг. 2а).

Исходное значение температуры принималось равным Т0 1000°С к которому нормировалось значение освещенности диффузора б. Идентичность полученных ре55 зультатов показывает, что предлагаемый способ позволяет восстановить динамику теплового поля, т.е. его поведение во времени и пространстве T(X,Y, ) путем считывания интенсивности светово го поля 9. рассеянного изображением интрузии, в различных плоскостях сечения , параллельных плоскости диффузора 6. Изменение глубины регистрации светового поля от нуля до максимального значения позволяет получить картину поля остывания интрузий от начальной температуры To(X,Y, h k Г 0) до минимальной (X, Y, Tmax), которая приближается к фоновому значению,

Регистрация светового поля 9 осуществляется любым фоточувствительным прибором, например, фотоэлементом, сканирующим плоскость 7 или путем экспозиции фотобумаги с постоянным временем выдержки для всех сечений . В первом случае искомое тепловое поле пропоргцио- нально значениям фототока, а во втором - плотности почернения фотобумаги после ее проявления. Результат может быть представлен в виде изолиний (изотерм) регист- рируемого параметра (фототока или почернения), а также другими способами, например, цветовой гаммой. На фиг. 3 показана эволюция теплового поля, интрузий для трех моментов времени от начала остывания , и (, ). Исходная температура магмы Т0 1000°С. Результат, наглядно иллюстрирует особенности пространственно-временного взаимодействия тепловых полей от интрузивных тел сложной формы.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что он не требует проведения полевых работ для сбора образцов пород с площади исследования палеотем- пературного поля, аналитических исследований и сложных расчетов на ЭВМ. Для осуществления способа используется минимум исходной информации по району работ, например, геологическая карта интересующего исследователя интрузивного комплекса. Кроме этого, моделирование теплового поля с помощью рассеянного света по описанному способу, позволяет получить распределение тепловых полей в пространстве и времени от всех рассматриваемых интрузивных тел произвольной формы. Возможна также детализация результата по любому фрагменту исходного изображения интрузивных тел. Точность воспроизведения теплового поля рассматриваемым способом по сравнению с расчетами на ЭВМ, возрастает

за счет исключения необходимости аппроксимации интрузий телами упрощенной формы, а разрешающая способность (детальность) результата зависит только от плотности точек считывания световой модели теплового поля. Например, при использовании фоторегистрации на пленку типа Микрат-200 может быть получено разрешение до 200 лин.мм, т.е. значения теплрвого поля как в горизонтальной плоскости T(X,Y), так и по вертикали T(Z), получаются с шагом в один метр, для изображения интрузий, заданного в масштабе 1:200000.

Предлагаемый способ позволяет получить результат на простом оборудовании, без участия квалифицированного персонала. Суммарное световое поле, эквивалентное тепловому, образуется автоматически от всех исследуемых тел.

Тепловое поле является главным фиксатором образования месторождений полезных ископаемых, связанных с интрузиями. Реконструкция его эволюции в пространстве и времени по предлагаемому способу,

позволяет осуществить прогноз размещения возможных месторождений в благоприятных температурных зонах, ориентировать поисковые работы, сократить площади поиска.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я Способ определения динамики теплового поля от интрузивных массивов, включающий задание формы интрузивного тела на

плоскости, его аппроксимацию совокупностью элементарных источников с известной начальной интенсивностью и определение

суммарного теплового поля от всех элементарных источников для различных моментов

времени, по которому определяют динамику теплового поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и экономичности способа, в качестве элементарных источников используют точечные излучатели света, интенсивность свечения которых принимают пропорциональной начальной температуре тела, а в качестве суммарного теплового поля определяют величину суммарного светового потока в различных плоскостях его сечения, параллельных плоскости расположения излучателей света.

, Afro.V0)

- Фиг./

Использование: геодинамические исследования месторождений полезных ископаемых. Сущность изобретения: заданную на плоскости форму интрузивного тела аппроксимируют совокупностью точечных излучателей света. Интенсивность свечения излучателей принимают пропорциональной начальной температуре тела. Суммируют световые потоки от излучателей. Измеряют величину суммарного светового потока в различных плоскостях его сечения, параллельных плоскости расположения излучателей. Измерения проводят для различных моментов времени. По полученным результатам определяют динамику теплового поля интрузий.3 ил.

ftf & 6 i| 4 e 8 fo X/ct 1 6 Ш u ® ° /

2d

2ct

2ct

Ф#г J