Thermal Properties of Granite from the Central Part of Korea

Thermal and physical properties were measured on 206 Jurassic granite samples obtained from three boreholes in the central part of Korea. Thermal conductivity(${\lambda}$), thermal diffusivity(${\alpha}$), and specific heat(Cp) were measured in a laboratory; the average values are ${\lambda}$=2.813 W/mK, ${\alpha}=1.296mm^2/sec$, and Cp=0.816 J/gK, respectively. In addition, porosity(${\phi}$), and dry and saturated density(${\rho}$) were measured in the laboratory; the average values are ${\phi}$=0.01, ${\rho}(dry)=2.662g/cm^3$ and ${\rho}(saturated)=2.67g/cm^3$, respectively. Thermal diffusivity of 10 granite samples were measured with increasing temperature from $25^{\circ}C$ to $200^{\circ}C$. In this study, we found that thermal diffusivity at $200^{\circ}C$ is about 30% lower than thermal diffusivity at $25^{\circ}C$. In correlation analysis, thermal conductivity increases with increasing thermal diffusivity. However, thermal conductivity does not show good correlation with porosity and density. Consequently, we know that thermal conductivity of granite would be more influenced by mineral composition than by porosity. We also derived ${\rho}=-2.393{\times}{\phi}+2.705$ from density and porosity data. XRD and XRF analysis were performed to investigate effects of mineral and chemical composition on thermal conductivity. From those results, we found that thermal conductivity increases with increasing quartz and $SiO_2$, and decreases with increasing albite and $Al_2O_3$. Regression analysis using those mineral and chemical composition were carried out ; we found $K=0.0294V_{Quartz}+1.93$ for quartz, $K=0.237W_{SiO_2}-14.09$ for $SiO_2$, and $K=0.053W_{SiO_2}-0.476W_{Al_2O_3}+6.52$ for $SiO_2$ and $Al_2O_3$. Specific gravities were measured on 10 granite samples in the laboratory. The measured specific gravity depends on chemical compositions of granite. Therefore, specific gravity can be estimated by the felsic-mafic index(F) that is calculated from chemical composition. The estimated specific gravity ranges from 2.643 to 2.658. The average relative error between measured and estimated specific gravities is 0.677%.

한국 중부 지역의 화강암 열물성

대륙지각의 대표적인 암석이며 우리나라의 약 25%를 차지하는 쥬라기 화강암을 대상으로 상부지각의 열적 현상을 이해하는데 중요한 정보인 물성과 열물성을 측정하였다. 충남 연기군(2개 시추공, 149개)과 대전시 유성구(1개 시추공, 59개)의 총 3개 시추공으로부터 회수한 206개 화강암의 건조 상태의 열전도도 평균은 2.813 W/mK이고, 공극 보정을 한 평균 열전도도는 2.900 W/mK이다. 공극 내 물의 효과로 인해 공극 보정을 한 열전도도가 높게 나타난다. 건조 상태의 평균 열확산율은 $1.296{\times}10^{-6}m^2/sec$이며, 온도변화에 따른 열확산율 변화는 온도가 증가할수록 열확산율이 낮아지는 경향을 보인다. $200^{\circ}C$에서의 열확산율은 상온 $25^{\circ}C$에서 보다 30% 정도 더 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 206개 화강암의 평균 공극은 0.010이며, 건조밀도와 포화밀도는 각각 $2.662g/cm^3$와 $2.673g/cm^3$이다. 열전도도와 공극의 상관관계로부터 화강암의 열전도도는 공극보다 구성광물에 의한 영향이 더 큰 것을 확인하였다. 열전도도와 열확산율의 상관관계에서는 결정계수가 0.898로 선형관계가 잘 나타나고, 공극과 밀도의 상관관계에서는 ${\rho}=-2.393{\times}{\phi}+2.705$라는 상관식을 산출하였다. XRD 분석과 XRF 분석 결과로부터 석영과 $SiO_2$ 함량이 증가하면 열전도도가 높아지고 조장석과 $Al_2O_3$가 증가하면 열전도도가 낮아지는 경향을 확인하였다. 또한 부피 함량비가 많은 광물과 화학성분을 이용해 회귀 분석을 수행하였다. 석영을 이용한 선형식은 $K=0.0294V_{Quartz}+1.93$으로 산출 되었다. 또한, $SiO_2$를 이용한 선형식은 $K=0.237W_{SiO_2}-14.09$로 산출 되었고, $SiO_2$와 $Al_2O_3$를 이용한 회귀식은 $K=0.053W_{SiO_2}-0.476W_{Al_2O_3}+6.52$로 산출 되었다. Felsic-marfic index를 이용하여 산출한 비중과 측정된 비중의 평균은 각각 2.645와 2.650이며, 평균 상대오차는 0.667%로 나타났다.