Глава 2 Плотность и пористость минералов и горных пород

2.1. Плотность и пористость физических тел

Плотность является одним из основных физических параметров вещества /4,6,8/.. Плотность – это свойство вещества, характеризующиеся отношением его массы m к занимаемому объему V:

(2.1)

Плотность горных пород является параметром, который определяет гравитационное поле (Федынский В.В., 1967):

(2.2)

Таким образом, потенциал U является ньютоновским потенциалом притяжения объемных масс, распределенных в объеме V с плотностью σ.

Плотность горной породы обозначается «σ», и определяется как отношение массы горной породы (минерала) к объему породы (минерала), т.е. отношение массы твердой, жидкой и газовой фаз к его объему:

, (2.3)

где m_п - масса образца породы, состоящей из массы твердой m_тв, жидкости m_ж и газа m_г. Объем образца V складывается из объема твердой V_тв, жидкой V_ж и газовой V_г фаз.

Отношение твердой фазы породы к занимаемому объему твердой фазы называется минеральной плотностью, и обозначается «δ»:

. (2.4)

Единицей измерения плотности в системе СГС является г/см³, в СИ – кг/м³. В полевой геофизике плотность обычно обозначается «σ», и используют единицу измерения г/см³.

Горная порода является многофазной системой, состоящей из твердой фазы (минерального скелета) и порового пространства, заполненного воздухом и жидкостью. Поры в горной породе могут сообщаться друг с другом или быть изолированы минеральным скелетом.

Пористость горной породы определяется совокупностью пустот в минеральном скелете породы и обозначается как «n»:

. (2.5)

Отношение объема пор V_п ко всему объему образца V называется коэффициентом общей пористости:

. (2.6)

Единицей измерения пористости и коэффициента пористости являются проценты (%).

Масса жидкой фазы определяется с введением понятия относительной влагонасыщенности образца «p». Если , то масса жидкой фазы определяется по формуле:

(2.7)

Плотность образца определяется по формуле:

(2.8)

Плотность водонасыщенных пород σ_в определяется отношением массы горной породы с максимальной влажностью к объему породы. Принимая σ_ж=1, p=1, определяем плотность водонасыщенного образца:

(2.9)

Плотность газонасыщенных σ_г пород определяется отношением массы твердой фазы горной породы к объему, лишенной поровой влаги. То есть p=0 и плотность газонасыщенного образца:

(2.11)

Плотность газоводонасыщенных пород σ_гв определяется отношением горной породы с лабораторной влажностью к объему породы.

С плотностью связано понятие удельного веса. Однако в отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от места измерения. Определяется как отношение веса горной породы (P) к объему породы:

, (2.12)

где g – ускорение свободного падения в данной местности. Плотность равна удельному весу вещества на ширине 45° на уровне моря.

Плотность химически простых твердых веществ характеризуется постоянным, строго определенным значением. Плотность обусловлена электронным строением и массой ядер атомов. Большая часть массы атомов (99,95-99,97%) сосредоточены в ядрах. Масса атомов каждого химического элемента численно возрастает в порядке их расположения в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Плотность элементов изменяется с определенной периодичностью. Для каждого периода (т.е. для ряда элементов имеющих одинаковые квантовые числа) наблюдается возрастание плотности и уменьшение атомного радиуса элементов в первой половине периода, и понижение плотности и увеличение атомного радиуса – во второй половине периода. Плотность увеличивается в каждой группе элементов по мере повышения атомной массы. Для каждого периода наблюдается свой уровень значений плотности, что соответствует дискретному изменению главных квантовых чисел электронов внешних орбит на единицу. Прослеживается закономерность в периодичности изменения орбитального квантового числа. Для sp– элементов наиболее существенное влияет изменение атомного радиуса. Эти элементы входят в состав большинства породообразующих минералов. Для d– элементов (все химические d- элементов принадлежат к металлам) плотность зависит преимущественно от массы ядер атомов (Дортман Н.Б., 1984).

Плотность твердых химических элементов изменяется в пределах 0,5 – 22,5 г/см³. Наименьшую плотность имеет литий – 0,53 г/см³ и калий 0,86 г/см³, наибольшую – иридий 22,5 г/см³.

Плотность воздуха при нормальных условиях (температура 20°С и давление 0,1МПа) равна 0,0012 г/см³ (Зтнченко В.С., 2005).

Для углеводородных газов метана и пентана значения плотности составляют соответственно 0,000715 и 0,000317 г/см³. Плотность природных подземных вод при нормальных условиях изменяется от значений 1,01 г/см³ (пресная вода) до 1,24 г/см³ (рассол). Дистиллированная вода при температуре 20°С характеризуется значением σ, равным 0,9982 г/см³.

Плотность нефти в зависимости от ее химического состава меняется в пределах 0,5-1 г/см³.

2.2 Плотность минералов

Плотность минералов определяется массой составляющих их химических элементов и строением электронных оболочек атомов этих элементов, которые обуславливают, в свою очередь, формы кристаллической связи, конституцию и габитус кристаллов. Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов с повышенной относительной атомной массой и чем меньше их атомные (ионные) радиусы. С уменьшением атомных радиусов плотность упаковки атомов в единице объема возрастает.

Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи.

Породообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.

Плотность рудных минералов в основном зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. Увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения массы при подчиненном влиянии структуры, что соответствует электронному строению атомов типа d для хрома, железа, свинца и других тяжелых элементов. Для них характерно ковалентно-металлическая и ионно-металлическая химическая связь. Значения плотности составляют 3,5-7,5 г/см³. Самородные минералы (золото, серебро, платина, медь и др.) с металлической связью имеют самые высокие значения плотности (золото 19,32 г/см³, серебро – 10,5 г/см³, медь 8,9 г/см³).

Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см³) и графит (2,23 г/см³), пирит (2,013 г/см³) и марказит (4,875 г/см³), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см³) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см³). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа*, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.

Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см³).

Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Наиболее типичные значения плотности минералов и пределы вариации плотности приведены в таблице 2.1 (использованы данные Н.Б.Дортман, 1984).

Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см³ (лед) до 22,5 г/см³ (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные (>4 г/см³), средние (от 2,5 до 4 г/см³) и малой плотности (<2,5г/см³ ). К плотным минералам относятся: самородные металлы, сульфиды, за редким исключением (аурипигмент, реальгар), более половины из окислов и гидроокислов, редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, ксенотим), вольфраматы, некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).

___________

* координационное число- в кристаллографии число ближайших к данной атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле, находящихся от него на одинаковом расстоянии.

Плотность г/см³, породообразующих и рудных минералов Таблица 2.1

В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь и др.) и малым атомным (ионным) радиусом. Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности. К ним относятся: самородные неметаллы – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минерала класса силикатов (монтмориллонит, галлуазит); некоторые из галогенидов (галит, сильвин), карбонатов, боратов. Хорошая дифференциация минералов по плотности позволяет использовать эту величину для их распознавания.

2. 3. Плотность магматических пород

Основными факторами, определяющими плотность горных пород, являются: минералогический и химический состав главных породообразующих минералов; структурно-текстурные особенности; степень диагенеза и метаморфизма /4,6,8/.

Плотность магматических пород зависит главным образом от состава пород и растет с увеличением их осносвности:

· у кислых пород (64-78 % кремнезема SiO₂) плотность 2,5 – 2,7 г/см³;

· у основных (44-53%) пород 2,8 – 3 г/см³;

· ультраосновных (<44%) пород 3,0-3,3 г/см³ .

Возрастание плотности пород в нормальном ряду гранит-перидотит происходит в результате постепенного уменьшения содержания микроклина и кварца, увеличения количества основности плагиоклазов, появление пироксенов. При одинаковом количестве кремнезема плотность пород щелочного ряда ниже плотности пород нормального ряда, что объясняется высоким содержанием щелочных элементов с большим атомным радиусом, обусловливающим менее плотную упаковку атомов.

В плотностном отношении интрузивные породы одного типа достаточно однородны и сравнительно хорошо выдержаны. Их плотность слабо зависит от структурно-текстурных особенностей и возраста. Некоторое увеличение плотности наблюдается при наличии значительного количества акцессорных рудных минералов.

Примеры плотности изверженных и магнитных пород с увеличением основности:

Туф средняя плотность 1,8 г/см³;

Гранит от 2,52 г/см³ до 2,81 г/см³, средняя 2,67 г/см³;

Сиенит 2,63 г/см³ до 2,9 г/см³, средняя 2,76 г/см³;

Диорит 2,8 г/см³ до 3,11 г/см³, средняя 2,96 г/см³;

Перидотит 3,15 г/см³ до 3,28 г/см³, средняя 3,23 г/см³
Дунит 3,25 г/см³ до 3,33 г/см³, средняя 3,39 г/см³.

Эффузивные породы в целом подчиняются тем же закономерностям, что и интрузивные: плотность увеличивается от кислых к ультроосновным образованиям. Однако вследствие более высокой пористости плотность эффузивных пород меньше плотности их интрузивных аналогов.

2.4. Плотность метаморфических пород.

Под метаморфизмом понимают глубокое изменение и преобразование горных пород, происходящее под воздействие различных эндогенных процессов/4,6,8/.

Главными факторами метаморфизма горных пород являются: температура, давление всестороннее, и гидростатическое (в значительной степени определяется глубиной), стресс (давление, ориентированное в одном направлении или одностороннее), химически активные флюиды и газы, выделяющие из внедряющихся магм и поступающие с больших глубин из мантии.

Повышение температуры может быть связаны с погружением горных пород на большую глубину по мере накопления мощных осадков, тепловым воздействием магмы, проникающей в земную кору, местным повышением теплового потока, поступлением глубинных флюидов и др. процессами.

Давление приводит к деформации минералов и вызывает закономерную

пространственную ориентировку их в горных породах. Благодаря деформации возникают пути для перемещения паров воды и газов, что увеличивает интенсивность химических реакций.

Стресс способствует перекристаллизации минералов и горных пород.

В зависимости от сочетания перечисленных факторов форма проявления метаморфизма весьма разнообразна.

При метаморфических преобразованиях горных пород, приспосабливающихся к новым термодинамическим условиям, происходит изменение их физических свойств и, прежде всего, плотности.

Плотность изменяется за счет структурных перестроек при изохимических процессах. Изохимическим метаморфизмом (ísos - равный) называют метаморфизм, когда не происходит привноса и выноса химически активных веществ (или их мало), состав горных пород почти не изменяется (например, преобразование известняка в мрамор) или изменяется в незначительной степени.

В том случае, когда метаморфические изменения сопровождаются значительным привносом вещества и выносом вещества, происходит замещение одних минералов другими, то есть происходит метасоматоз. Изменение химического состава тоже приводит к изменению плотности.

Динамометаморфизм (дислокационный), или катакластический (от греч. катаклазо - разрушаю) метаморфизм (приразломный) — происходит в верхних зонах земной коры, главным образом под влиянием сильного одностороннего давления - стресса. Он связан с тектоническими движениями, вызывающие разрывы в земной коре и перемещение по ним отдельных блоков. Вследствие этого катакластический метаморфизм локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений, особенно с полого падающими поверхностями сместителей. В процессе перемещения пород по разломам при сравнительно низкой температуре происходит их разрушение и дробление. Изменяются текстурно-структурные особенности пород, но минеральный состав почти не меняется (или в малой степени). Все это сопровождается понижением плотности за счет текстурных изменений.

В более глубоких зонах, где температура повышается, механическое разрушение пород сменяется пластическими деформациями. Совместное воздействие высоких температур и давлений приводит к некоторому изменению минерального состава, вследствие перераспределения вещества. Сопровождение приноса вещества приводит, наоборот, к возрастанию плотности пород.

Автометаморфизм — происходит в период застывания интрузивной магмы и становления магматических горных пород. Такой метаморфизм протекает в самом интрузивном теле (при его остывании и кристаллизации). Широко развиты процессы амфиболизации (замещение пироксена амфиболом), альбитизации основных плагиоклазов, серпентинизации ультраосновных пород (перидотитов, дунитов).

Серпентинизация пород характерна для большинства известных массивов гипербазитов. Изменение пород отмечается преимущественно с поверхности, но в ряде массивов оно захватывает глубокие горизонты (до 1000-1500 м), особенно вдоль разломов. В процессе серпентинизации происходит разложение минералов с высокой плотностью (пироксенов, оливина) и образование малоплотного серпентина при небольшом содержании магнетита и других акцессорных минералов. Процесс протекает постепенно и характеризуется также постепенным уменьшением плотности пород. Наименьшую плотность имеют серпентиниты. Их дальнейшее изменение – карбонатизация приводит к новому увеличению плотности.

Процесс амфиболизации наиболее характерен для габбро и габбро-норитов, но наблюдается также и в гипербозитах. При амфиболизации происходит разложение пироксена с образованием амфибола и плагиоклазов с кристаллизацией хлорита, серицита и эпидота, т.е. минералов с меньшей плотностью. Измененные породы, как следствие характеризуются пониженной плотностью.

Контактовый метаморфизм. Этот тип метаморфизма связан с внедрением магмы в земную кору. Он наблюдается на контакте интрузий и вмещающих горных пород. При этом изменение происходит не только во вмещающих породах, но и в верхней части самих магматических интрузий. Изменение и преобразование горных пород, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактным метаморфизмом. А изменение, происходящие в краевой части интрузии эндоконтактным метаморфизмом. Здесь присутствуют широко идущие процессы метасоматоза и образование метасоматитов.

Процессы контактового метаморфизма могут быть без существенного изменения химического состава исходной породы, например при образовании роговиков (термальный метаморфизм); иногда они сопровождаются значительными метасоматическими изменениями. Возникающие при метаморфизме осадочных пород роговики характеризуются повышенной плотностью. Степень увеличения плотности определяется минеральным составом роговиков. Кристаллические сланцы, возникающие в результате контактового метаморфизма (с проявлением метасоматоза) глинистых и известково-глинистых осадочных пород, отличаются резко повышенной плотностью по сравнению с исходными породами, что обусловлено появлением минералов с высокой плотностью и резким уменьшением пористости пород.

Региональный метаморфизм проникает на большую глубину и захватывает значительные площади. Факторами регионального метаморфизма являются подъем температуры, давления, воздействием флюидов. В зависимости от их соотношения меняется и степень метаморфизма.

Усиление степени метаморфизма от зелено-каменной фации к эклогитовой сопровождается увеличением плотности. Главное свойство является снижение пористости. Пористость становится 1-2%. Дальнейшее повышение степени метаморфизма, сопровождается увеличением плотности. Это происходит вследствие образования полиморфных модификаций минералов с более уплотненными кристаллическими решетками. При этом первоначальный состав оказывает настолько существенное влияние, что кислые породы высоких стадий метаморфизма имеют меньшую плотность, чем основные породы более низких стадий.

Ультраметаморфизм особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубоких зонах складчатый областей. Процессы ультраметаморфизма вызывают наиболее глубокое изменение горных пород, при котором происходит перекристаллизация, метасоматоз, селективное или полное расплавление. Все эти преобразования сопровождаются разуплотнением пород, что свидетельствует об их приспособлении к условиям более низких давлений и о протекании процессе в условиях повышенных температур.

Частично- или полно- расплавленные горные породы проникают во вмещающие породы. Образуются смешанные породы, состоящие из материала исходной породы и расплава. Эти породы называют мигматиты. Разновидностью мигматитовой формации является чарнокитовая формация. Считается, что чарнокитизация и гранитизация пород – одно из наиболее ярких проявлений ультраметаморфизма. Процессы чарнокитизации и гранитизации (мигматизации) приводят к существенному изменению физических характеристик пород в связи с образованием иных минеральных ассоциаций.

Наблюдается непрерывный ряд формаций:

· габбро-диорит-чарнокитовая формация, типичная для архея, характеризуется в среднем повышенной плотностью (σ_ср= 2,75 г/см³) при больших дисперсиях параметра.

· Чарнокит-диорит-гранитовая формация (также развитая в архейских структурах) имеет плотность 2,65-2,74 г/см³.

· Плотность пород чарнокит-гранитовой формации, характерной для протерозоя, составляет 2,6-2,7 г/см³.

· Мигматит-гранитовые формации характеризуются выдержанной плотностью, преимущественно равной 2,6-2,65 г/см³.

Таким образом, в процессе чарнокитизации и гранитизации происходит понижение основности и плотности пород, связанное с уменьшением давления и температуры при подъеме блоков из нижних горизонтов земной коры к ее верней части.

Регрессивный метаморфизм или диафторез - связан с изменением термодинамических условий в сторону уменьшения температуры и давления.

Метаморфические горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях вследствие восходящих тектонических движений или других причин, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этих случаях происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциациях на породы, сформированные при более высоких температурах. Это регрессивный метаморфизм.

При регрессивном метаморфизме и диафторезе плотность пород уменьшается. Если эти процессам сопутствует милонитизация, то есть процесс раздробления и перетирания горных пород, то образующиеся кристаллические сланцы отличаются резко пониженной плотностью. Так как вследствие микротрещиноватости увеличивается пористость. Таким образом, низкотемпературные минералы характеризуются более низкой плотностью по сравнению с высокотемпературными минералами.

2.5. Плотность и пористость осадочных пород.