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Der Wärmetransport in kristallinen Gesteinen unter den Bedingungen der kontinentalen Erdkruste

Seipold, U. (2001): Der Wärmetransport in kristallinen Gesteinen unter den Bedingungen der kontinentalen Erdkruste, (Scientific Technical Report STR ; 01/13), Potsdam : GeoForschungsZentrum GFZ, 148 p.
DOI: http://doi.org/10.2312/GFZ.b103-010037



http://gfzpublic.gfz-potsdam.de/pubman/item/escidoc:8538
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0113.pdf
(Publisher version), 2MB

Authors
Abstract
The content of this paper are the results obtained over many years in studies of the thermal transport properties of crystalline rocks. The measuring methods and equipments developed for these investigations are in detail described. The measurements were performed in dependence on temperature respectively pressure to simulate the conditions within the earth´s crust. Pressure up to 1000 Mpa was used under hydrostatic conditions whereas a pressure of 1500 Mpa was reached in a quasihydrostatic device. The maximal temperature was 1000 °C. The results obtained for the thermal conductivity and the thermal diffusivity in dependence on temperature were processed taking into account various mechanisms of heat conduction .This way information concerning the influence of the mechanisms was obtained. Especially the importance of the radiative heat transport is discussed. Mean curves for the temperature dependence of the thermal conductivity are given for the investigated rock types ( granite, gneiss, felsic and mafic granulite, serpentinite and peridotite). For other rocks a smaller number of samples was measured. It was tried to find the characteristic features for the temperatur dependence of the various rocks. The curves for the pressure dependence of the thermal tranport parameters were subdivided in the nonlinear initial range and the range over about 100 Mpa with a nearly linear pressure dependence. For the initial range the statistical distribution is given for the increase of the thermal transport parameters with rising pressure. For the linear range the mean pressure coefficients were calculated for the studied rocks. The obtained results for the pressure and temperature dependence of the thermal conductivity for representative crustal rocks were used to calculate the variation of the thermal conductivity within the crust assuming various geotherms. The influence of various processes (phase transitions, dehydration reactions, partial melting) on the thermal transport properties was tested. A new conduction mechanism was observed in dehydrating rock samples.
In dem vorliegenden Heft sind die Ergebnisse langjähriger Untersuchungen der thermischen Transporteigenschaften von kristallinen Gesteinen zusammenfassend dargestellt. Die für die Messungen entwickelten Messmethoden sind detailliert beschrieben. Zur Simulation der Bedingungen innerhalb der Erdkruste wurden die Untersuchungen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur durchgeführt. Unter hydrostatischen Bedingungen wurden Drücke bis 1000 Mpa erreicht, bei quasihydrostatischem Druck bis 1500 Mpa. Es wurden Temperaturen bis 1000 °C erreicht. Die Ergebnisse zur Temperaturabhängigkeit wurden unter Berücksichtigung verschiedener Leitungsmechanismen ausgewertet. Dadurch werden Aussagen über deren Bedeutung erhalten. Insbesondere wird der Einfluss des radiativen Wärmetransports diskutiert. Für die untersuchten Gesteinstypen ( Granite, Gneise, Amphibolite, felsische und mafische Granulite, Serpentinite, Peridotite ) werden mittlere Kurven der Temperaturabhängigkeit von Wärme- und Temperaturleitfähigkeit angegeben. Von anderen Gesteinen wurden kleinere Probenzahlen untersucht. Es wurde versucht, die charakteristischen Merkmale der Temperaturabhängigkeit verschiedener Gesteine herauszuarbeiten. Die Druckabhängigkeit wird in einen nichtlinearen Anfangsbereich und den Bereich linearer Abhängigkeit etwa oberhalb 100 Mpa gegliedert. Für den Anfangsbereich werden erstmals statistisch abgeleitete quantitative Ergebnisse angegeben. Im linearen Druckbereich wird das Verhalten durch Angabe der mittleren Druckkoeffizienten für die verschiedenen Gesteine beschrieben. Die Messergebnisse der Druck- und Temperaturabhängigkeit werden dazu benutzt, die Variation der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der kontinentalen Kruste bei Vorgabe verschiedener Temperatur-Tiefen-Funktionen zu berechnen. Es wurden die Wirkungen von verschiedenen Effekten ( Phasenübergänge, Dehydration, partielles Schmelzen) auf den Wärmetransport untersucht. Ein erstmals beobachteter Leitungsmechanismus beeinflusst erheblich das Verhalten von Gesteinen, in denen bei hoher Temperatur Wasser freigesetzt wird