Temperature-dependence of thermal conductivity and implications for the thermal-state of the Norwegian margin

Abstract

Вопросы, связанные с поведением тепловых потоков и распределением температуры в осадочных бассейнах, представляют большой научный интерес. Данные вопросы являются ключевыми при изучении процессов, происходящих в литосфере в ходе рифтогенеза, а также в отношении происхождения осадочных бассейнов, их эволюции и структуры. В частности, теплопроводность горных пород влияет на поведение геотермического градиента и тепловых потоков в литосфере, в т.ч. связанное с эффектом экранирования. Данный эффект отражает взаимосвязь между мощностью осадочного покрова/кристаллического фундамента и изменениями в геотермическом градиенте. В данном исследовании было изучено влияние различных моделей поведения теплопроводности (постоянная/зависимая от температуры) на распределение температурного поля и поведение геотермического градиента. Норвежская окраина является хорошо изученным районом, для которого накоплен значительный объем доступных температурных данных со скважин. База данных из 976 скважин была использована для исследования полей распределения температуры в различных частях Норвежской окраины. Основная цель данной работы - оценка важности зависимости от теплопроводности горных пород от температуры в отношении термальной эволюции осадочных бассейнов. Данное исследование основано на моделировании поведения температуры, которое включает изучение распределения температур и поведения геотермического градиента в 1-D модели при использовании различной параметризации. Моделирование позволяет оценить изменения в геотермическом градиенте при различной мощности кристаллического фундамента и осадочного слоя, а также определить, как изменяются результаты при использовании различных моделей поведения теплопроводности. Модель использовалась для анализа реального распределения температур в пределах Норвежской окраины. Моделирование было выполнено в среде MATLAB. Основной результат данной работы – создание модели, которая позволяет сравнить поведение геотермального градиента при использовании различных моделей теплопроводности (постоянной и зависимой от температуры). В случае использования в модели зависимой от температуры теплопроводности, результаты моделирования более близки к реальным значениям, по сравнению с использованием постоянной теплопроводности. Диапазон смоделированных значений в первом случае более реалистичный по сравнению с меньшим диапазоном при использовании постоянной модели теплопроводности. Модель с использованием зависимой от температуры теплопроводности предсказывает более высокие значения по сравнению с реальным распределением температур в скважинах. Однако более высокие значений связаны с используемой основной литологией и могут быть скорректированы. Анализ результатов показывает, что зависимая от температуры модель теплопроводности представляет более реалистичное поведение геотермального поведения. Данная зависимость является важной для термальной структуры бассейнов и должна учитываться при комплексном анализе бассейнов.

Investigation of temperature field and related heat flow distribution in sedimentary basins have significant scientific importance. Distribution of temperatures is important in questions of sediment basins origin, their evolution, structure, past and modern processes in sediments, crust and mantle. In particular, thermal conductivity of minerals influence on geothermal gradient and heat flow in the lithosphere through sediment blanketing effect. According to this effect, there are feedback between thickness of sediment/crust and geothermal gradient. In this study, investigation of constant and temperature dependent thermal-conductivity are implemented in receiving the temperature distribution and behavior of thermal gradient. Norwegian Margin is well-investigated region with a huge available temperature datasets from well data. Dataset of 976 wells was used to investigate behavior of temperature field in areas of Norwegian Margin. The main goal of the master's thesis: Assessing the importance of the temperature dependence of thermal conductivity for the thermal evolution of sedimentary basins. This study based on modeling which include investigation of temperature distribution and temperature gradient field in 1d steady-state model and parameterization of model. Modeling allows forming a representation of temperature gradient change due to crustal and sediment thicknesses. In addition to determine how much it depends on the thermal conductivity of the rocks. This model used for analysis of importance of the of the temperature dependence of thermal conductivity for the thermal evolution of sedimentary basins in Norwegian Margin area. Modeling implemented in MATLAB environment. Main results of modeling is creation of model, which allow to compare behavior of geothermal gradient in case of temperature-dependent and constant thermal conductivities with real dataset. In case of temperature dependent thermal conductivity model presents values more close to reality, compare to constant thermal conductivity. Range of modeled values in first case more realistic than more short range in case of constant conductivity model. Model with usage of temperature dependent thermal conductivity present 'hotter' value than should be, but it could be resolved by calibration of main lithology. Results analysis shows that temperature dependent thermal conductivity present more realistic behavior of geothermal gradient. Current dependence is important for thermal structure of basins and it should be considered in integrated basin analysis.