Свойства горных пород

Реферат

Содержание

1. Физика горных пород как наука, основные понятия и определения

2. Плотность

3. Пористость

4. Проницаемость

5. Естественная радиоактивность

Литература

1. Физика горных пород как наука,

основные понятия и определения

Физика горных пород (петрофизика) – одна из основных дисциплин разведочной геофизики, наиболее тесно связанная с физикой веществ и петрологией. Из многих физических свойств горных пород петрофизика изучает главным образом свойства, создающие физические поля, которые могут быть измерены геофизическими методами.

Определение науки о физике горных пород представляется как дисциплины естествознания, в которой изучают закономерности изменений физических свойств горных пород и связи между этими свойствами.

Физика горных пород очень тесно связана с другими естественными науками: с одной стороны – физикой и математикой; с другой – геологией и петрологией. Результаты петрофизических исследований – неотъемлемая часть геофизических работ.

Все основные физические константы и параметры в петрофизике взяты из классической физики и соответственно нормируются в международной системе единиц СИ. Задача петрофизики – изучить физические свойства в конкретной горной породе (в классической физике в основном изучаются однородные (квазиоднородные) вещества). В понятие «изучить» вкладывается понятие «выявить закономерности».

Физические свойства горных пород – это их способность взаимодействовать с естественными физическими полями Земли (гравитационным, магнитным, тепловым) или с искусственно созданными физическими полями (сейсмоволновым, радиоактивным, электромагнитным, оптическим и др.).

Геофизические дисциплины разделяются в соответствии с физическими свойствами и созданными ими полями. Основные физические свойства (петрофизические показатели):

- плотность (п) – изучается в гравиразведке;

- магнитная восприимчивость () – изучается в магниторазведке;

- удельное электрическое сопротивление (), диэлектрическая проницаемость () - изучаются в электроразведке;

- скорость распространения упругих волн (Vп) – изучается в сейсморазведке;

- естественная и искусственная радиоактивности (I), (I) – изучаются в радиометрии;

- теплоемкость (С), теплопроводность () – изучаются в термометрии.

Место петрофизики при геофизических исследованиях связано с их технологическим циклом:

1) измерение параметров физических полей в неоднородной среде;

2) геофизическая интерпретация полученных измерений с целью определения физических свойств и построение вероятностной физической модели;

3) геологическая интерпретация физической модели и построение физико-геологической модели.

В основе геофизической интерпретации лежат методы решения прямых геофизических задач, позволяющие учесть влияние различных неоднородностей в земной коре. Для геологической интерпретации геофизических данных служат петрофизические связи, позволяющие перейти от неоднородностей, обусловленных физическими свойствами среды, к геологическим объектам.

Неоднородность горных пород

В геологии горная порода – это природный агрегат минералов постоянного состава, образующий самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору.

В петрофизике горную породу следует характеризовать как гетерогенную многокомпонентную многофазную термодинамическую систему.

Основные виды неоднородности:

1) фазовый состав;

2) компонентный (минеральный) состав;

3) химический состав;

4) текстурно-структурное строение.

Фазовый состав: три фазы – твердая, жидкая, газообразная. В породах разного состава разные соотношения фаз. Как правило, породы бывают трех- и двухфазные.

Компонентный состав: твердая фаза состоит из минералов, жидкая фаза из жидкостей, газообразная фаза представлена газами.

Химический состав: минералы, жидкости и газы различаются соответственно по химическому составу.

Текстурно-структурное строение: сложные геологические образования, состоящие из двух или более различных включений (слоев, микрослоев, полостей), чередующихся в объеме изучаемого объекта (породы, пласта).

Неоднородность горных пород – их природное свойство, где фазовый, компонентный, химический и т.д. составы имеют фазовую, компонентную, химическую и т.д. неоднородности. То есть различают масштабы неоднородности, которые зависят от ее природы и образуют различные уровни неоднородности. Эти уровни ранжируются в порядке возрастания: атомы (ионы) молекулы моно- и полиминеральные слои поры, заполненные жидкостью или газом зерна твердого скелета полости выщелачивания прослои, линзы, включения.

Фазовые превращения и диаграмма состояний веществ

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния называются фазами.

Соотношение между средней кинетической и средней потенциальной энергиями частиц вещества (ионов, атомов, молекул) определяет фазу вещества. Это соотношение зависит от температуры T и давления P (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма фазового состояния веществ

Линии диаграммы называются кривыми фазового равновесия. Они соответствуют условиям сколь угодно долгого существования (равновесия) двух смежных фаз. Точка Д называется тройной точкой; она соответствует условиям существования всех трех фаз вещества. Например, тройная точка воды соответствует одновременному существованию льда, воды и водяного пара, соприкасающихся между собой (Т=273,15 К и Р=4,58 мм рт. ст.).

Лабораторные и полевые геофизические методы исследуют и отражают разные уровни неоднородности исследуемых геологических объектов. Например, ядерные методы (нейтронно-активационный анализ) “работают” на атомном уровне и дают информацию о количественном содержании элементов. Электрические и электромагнитные методы “работают” на уровне зерен минерального скелета и пор (можно изучать соотношение твердой фазы и флюидов.

Уровни неоднородности высоких порядков (атомы, ионы, молекулы), как правило, изучаются в лаборатории на образцах. Обычно имеют дело с образцами размером от 1 до 10 см.

Физические свойства горных пород обусловливаются внутренней энергией систем, а также влиянием внешних факторов таких, как температура, давление, магнитное поле Земли. Физические свойства зависят от строения внешних или внутренних электронных орбит атомов, особенностей электронной оболочки и массы ядер, строения ядер (рис. 2).

Рис. 2. Взаимосвязь физических свойств со строением атомов

Такие физические свойства, как плотность п, упругость Vп и др. характеризуются направленными и периодическими изменениями, соответствующими изменению химических свойств в порядке периодической системы элементов Д. И. Менделеева (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение физических (упругих, плотностных и

тепловых) и химических свойств в порядке периодической

системы элементов Д. И. Менделеева

(mа – относительная атомная масса, Rа – атомный радиус,

Vп – скорость продольных упругих волн, п– плотность)

По результатам изучения физических свойств пород составляются петрофизические классификации. В их основу должны быть положены: природа, величина, дисперсия физических параметров, генетический тип и минеральный состав пород. Для выяснения пространственного распределения горных пород с определенной физической характеристикой принципиально важно составление петрофизических карт и разрезов.

Схема изучения физических показателей

Структуру рассмотрения физических показателей горных пород в свете изучения геологических условий их образования и размещения в земной коре и взаимодействия с геофизическими полями удобно представлять в последовательности, иллюстрируемой следующей схемой (рис. 4):

Рис. 4. Схема изучения физических свойств на уровне фазового

и вещественно-петрографического составов пород

Как правило, физический показатель природных объектов характеризуется свойством, зависящим от других физических показателей, которые дают представление о том или ином физическом состоянии или явлении и характеризуют взаимодействие природных объектов с физическими полями. Например, пористость, плотность, магнитная проницаемость и. т. д. – это свойства природных объектов, определяемые отношением: а) для пористости - объема пор к объему всей породы; б) для плотности - массы к объему; в) для магнитной проницаемости - магнитной индукции к напряженности магнитного поля.
Физические показатели фазовых компонент природных объектов – следующий этап структуры их рассмотрения. Первоначально рассматривается твердая фаза, то есть минеральный состав горных пород. С позиций изучения тенденции закономерностей изменения физических свойств, целесообразно составлять последовательные ряды минералов, близких по петрологическим характеристикам: минералы угольной, силикатной, карбонатной, глинистой, рудной и других групп.

История формирования петрофизики

Разработка методических основ, теории и техники определения физических свойств горных пород осуществлялась одновременно с созданием и развитием разведочной геофизики в 1920-1950 гг. многими отечественными (Б.А. Андреев, Г.А. Гамбуруев, И.И. Гурвич, В.Н. Дахнов, А.Н. Заборовский, С.Г. Комаров, В.В. Федынский и др.) и зарубежными (Э. Вихертт, К. Шлюмберже и др.) учеными.

С 60-х годов минувшего столетия петрофизика формулируется как новая область геофизики. Были изданы первые книги, посвященные физической характеристике горных пород и полезных ископаемых и методике их изучения (Н.Б. Дортман, В.Н. Кобранова и др.). Начали и продолжают проводиться исследования в специализированных лабораториях, включая зарубежные.

2. Плотность

Физическая сущность

Плотность () характеризует свойство природных объектов, в том числе горных пород, определяемое отношением их массы (m) к объему (V):

Плотность - количественный показатель минералов, горных пород, других природных и естественных образований. В разведочной геофизике используется при интерпретации результатов: а) гравиразведки; б) гамма-гамма каротажа. В геологии знание необходимо при дефектоскопии аномальных зон при геолого-геофизической корреляции.

Единица измерения - г/см3 или кг/м3103.

В гравиразведке применение плотности определяется следующими предпосылками.

Известно, что две элементарные массы m1 и m2 на расстоянии r притягиваются по закону всемирного тяготения Ньютона:

где f – гравитационная постоянная, равна 6,67·10-8 г-1 см3 с-2.

Гравитационный потенциал выражается формулой

Этот потенциал обладает свойством аддитивности (складываемости) и для суммы дискретных масс получаем:

Следовательно, для физического тела (геологического объекта) любой формы потенциал может быть получен предельным переходом от суммы дискретных материальных точек к совокупности элементарных масс dm, на которые может быть разделено тело:

Поскольку в прямоугольной системе координат

где - плотность (масса в единице объёма), то:

или

где V – объём.

При анализе геологических объектов в последовательности от минералов к горным породам плотность можно расписать по уровням неоднородности, учитывая, что в каждой точке пространства определяется приращением массы m в некотором достаточно малом объеме V:

Следовательно, при V0

В общем случае плотность есть величина переменная:

= (x,y,z).

Для полифазных пород mп = mтв+mж+mг ; Vп =Vтв+Vж+Vг,

соответственно:

или

Здесь индексы п - полифазность, тв - твердая фаза, ж - жидкая фаза, г - газовая фаза.

Твердая фаза

Плотность твердых минералов тв изменяется в пределах от 0,5 до 22,5 г/см3 и определяется относительной атомной массой входящих в их состав химических элементов. Средневзвешенная тв является суммой плотностей, составляющих твердую фазу минералов:

Рудные минералы (золото-пирит) обладают ковалентно-металлической и ионно-металической формами ковалентной связи. Их тв преимущественно от 3,5 до 7,5 г/см3, а у золота и платины при металлической форме валентной связи тв достигает 15-19 г/см3.

Породообразующие минералы (сфалерит-халцедон) характеризуются ионной или ковалентной формой связи и имеют плотность от 2,2 до 3,5 г/см3.

Мономинералы (опал-янтарь) имеют ионную форму связи и относительно низкую тв (менее 2,0 г/см3).

Тенденции изменения плотности у минералов различных групп приведены на рис. 5.

Жидкая фаза

Вода

Пресный раствор при t = 20° имеет ж, равную 1,01 г/см3, а при полном насыщении солью -1,24 г/см3.

Нефть

ж нефти меняется в пределах 0,5-1,0 г/см3 и зависит от объема растворенного газа и пластового давления.

Рис. 5. Тенденции изменения плотности у минералов различных групп

Газовая фаза

Плотность природного газа (смесь углеводородных газов) и чистого воздуха имеют один порядок, определяемый тысячными долями г/см3. При температуре Т = 20° и давлении Р = 0,1 МПа плотность воздуха равна 0,0012 г/см3, метана - 0,0007 г/см3, пентана - 0,00317 г/см3.

При повышенном давлении плотность природных газов резко возрастает. Например, для метана, при Т = 40° и Р = 70 МПа г = 0,3 г/см3.

Магматические породы

Магматические породы наряду с метаморфическими относятся к разряду кристаллических и характеризуются инфранизкой пористостью, не превышающей 2-5%. Следовательно, их плотность зависит преимущественно только от совокупного минерального состава. То есть диапазон изменения п магматических пород находится в интервале предельных плотностей породообразующих минералов кварцево-апатитовой группы (п = 2,5-3,5 г/см3). При этом п у интрузивных пород в 1,1-1,3 раза больше чем у эффузивных.

В щелочно-земельном ряду от кислых к основным, в зависимости от содержания кварца (SiO2), прослеживается тенденция увеличения п (рис. 6). Породы кислого состава (гранит) имеют плотность 2,5-2,7 г/см3, породы среднего и основного состава (диорит, габбро) - 2,8-3 г/см3, а породы ультраосновные (пироксенит, перидотит) - 3-3,4 г/см3.

Рис. 6. Изменения плотности магматических пород в щелочно-земельном ряду от кислых к основным

Плотность магматических пород может значительно изменяться в зависимости от присутствия акцессорных минералов, трещиноватости, степени выветрилости.

Метаморфические породы

Метаморфические породы (кроме метасоматитов) близки к химическому составу исходных (осадочных, эффузивных, интрузивных) пород, т.к. метаморфизм протекает в условиях изменения термодинамических условий (в основном под действием давления и температуры).

Наибольшие изменения плотности пород происходят при метаморфизме эффузивных и осадочных пород (на 8-12%). По мере увеличения степени метаморфизма увеличивается, что в первую очередь связано с уменьшением пористости вследствие процессов складкообразования на больших глубинах. Изменение плотности в зависимости от стадий метаморфизма происходит по квазилинейному закону (рис. 7).

Рис. 7. Тенденция изменения плотности метаморфических пород

по стадиям метаморфизма

Осадочные породы

Плотность осадочных пород складывается и зависит от:

плотности твердой фазы, определяемой минералогической плотностью тв или м;
плотности насыщающих породу жидкостей ж;
плотности содержащихся в породах газов г.

Сухие осадки и осадочные породы обычно классифицируют по плотности на пять групп:

плотность очень низкая, = 0,5-1,5 г/см3 (илы, мел, трепел, опока, торф, туфы, угли);
плотность низкая, = 1,5-2,5 г/см3 (каменная соль, гипс, биотиты, метаморфизованные угли);
плотность средняя, = 2,5-3,5 г/см3 (плотные осадочные высоко преобразованные породы, известняки, доломиты с рудными вкраплениями, ангидриты);
плотность повышенная, = 3,5-4,5 г/см3 (невыветрелые металлические руды);
плотность высокая, > 4,5 г/см3 (очень плотные разности свинцовых, оловянных, сульфидных, медно-никелевых, полиметаллических руд с высоким содержанием рудных минералов).

Для осадочных пород в пределах одноименных стадий литогенеза тенденция изменения плотности определяется вещественно-петрографическим составом и соответствует изменению d твердой фазы (рис. 8).

Рис. 8. Тенденция изменения плотности осадочных пород при одинаковой степени их преобразования (окаменения)

Осадочным породам присуще свойство уплотнения с глубиной залегания под действием давления и температуры. Уплотнение пород – часть общего процесса окаменения (литификации), наиболее ярко проявляется в синклинальных структурах (рис. 9).

Рис. 9. Схема литификации

Стадии окаменения:

Накопление осадков – сингенез.
Преобразование осадков в осадочные породы – диагенез.
Литификация – эпигенез (катагенез и метагенез).

В пределах отдельных групп осадочных пород вторая тенденция проявляется в зависимости от стадий преобразования (литогенеза). Классической схемой литификации являются угольные месторождения (рис. 10).

Рис. 10. Тенденция изменения плотности осадочных пород для одноименных литологических разностей в зависимости от стадии их

преобразования (окаменения)

В зависимости от состава (фазный и компонентный уровни) и строения (текстурные неоднородности) на каждой стадии та или иная литологическая разность имеет вариации (разброс) значений плотности. Кроме того, влияют погрешности измерений, а также степень сохранности (близость к естественным условиям).

Разброс значений при массовых определениях в каждом пласте (слое) подчиняется нормальному закону, который в графическом виде можно отобразить в виде вариационных кривых (рис. 11).

Рис. 11. Вариационные кривые для различных групп горных пород, отличающихся по степени однородности литологического состава

Методы определения плотности

I. Метод определения плотности абсолютно сухих пород с способом гидростатического взвешивания

Согласно определению для с имеем формулу

Первоначально для определения mс образец высушивают в сушильном шкафу и взвешивают на аналитических весах.

Объем Vс определяется взвешиванием предварительно запарафинированного образца в жидкости (воде), плотность которой известна. Образцы парафинируют, чтобы избежать при взвешивании заполнение пор водой.

После парафинирования можно определить:

где плотность парафина известна и равна 0,93 г/см3. Тогда

Vс=Vс пар – Vпар,

где

здесь mc пар – масса парафинированного образца в воздухе;

mвс пар – масса парафинированного образца в воде.

Теперь Vс пар известно и

II. Метод определения минералогической плотности м

способом применения пикнометра

Проба измельчается в порошок до размеров зерен 0,25 мм. Основной инструмент лабораторных анализов пикнометр (колба).

Согласно определению для м имеем формулу

При выполнении анализов следует знать, что mм определить обычным взвешиванием точно невозможно, так как порошок предварительно надо освободить от всех примесей, убрать влагу и воздух.

Пикнометр имеет массу и объем mп и Vп. Дополнительно к пикнометру для анализов нужна жидкость известной плотности, например вода. Тогда, имея порошок пробы, воду и пикнометр, можно определить mм, а также Vм:

mм = mпм - mп;

здесь mм, mп, mпм, mпв, mпмв – массы пикнометра, пикнометра с порошком, пикнометра с водой, пикнометра с порошком и водой;

Vм, Vпв, Vпмв – объёмы порошка, воды в пикнометре, воды и порошка в пикнометре;

м, в – плотность минералогическая и плотность воды.

III. Денситометрический метод – метод определения плотности пород п при естественной влажности.

Используется прибор «денситометр», сконструированный Самсоновым. Он представляет собой весы с коромыслом ломаной формы, плечи которого имеют равную длину и образуют между собой угол (180°- ). Схема прибора изображена на рис. 12.

Уравновесим Р1 и Р таким образом, чтобы при равновесном положении плеч в положении И (индекс, то есть метка отсчёта) был угол 1 с горизонтальной плоскостью, тогда:

Р cos 1 = P1 сos(-1).

При погружении образца в воду вес P1, станет P2, тогда

Pсоs 2 =P2 cos ( – 2),

т.к. то

Рис. 12. Схема, поясняющая

принцип работы денситометра

В соответствие со значениями 2 выполняется разметка шкалы денситометра в единицах плотности.

IV. Определение плотности при гравиметрических наблюдениях производятся расчётным путем, например по результатам измерений в шахте между двумя горизонтами, находящимися на глубинах h1 и h2:

Это же выражение применимо и для гравитационного поля в скважинах.

V. Определение плотности по результатам гамма – гамма каротажа

Плотность пород в полулогарифмическом масштабе линейно зависит от интенсивности гамма–гамма излучения I (рис. 13).

Рис. 13. График зависимости плотности пород от интенсивности рассеивания в них гамма-квантов

На основе этой зависимости созданы методики определения плотности. Измерения I выполняются скважинным прибором гамма–гамма каротажа. Используются источники жесткого

-излучения: Со60, Сs137 и др.

3. Пористость

Горные породы и другие природные объекты не являются сплошными телами. Они имеют полости (поры), которые в естественных условиях заполнены жидкостями или газами. Пористость – это свойство породы содержать внутри себя не заполненные твёрдой фракцией замкнутые или сообщающиеся между собой и внешней средой пространства (объемы).

Пористость оценивается коэффициентом пористости kп, который равен

т.е. коэффициент пористости определяется отношением объёма пор Vпор к объёму породы Vп и выражаются в процентах.

Поры можно разделить на первичные (межзерновые) и вторичные, образовавшиеся в период формирования пород (трещины и каверны), а также возникшие в процессе метагенеза (литификации, то есть окаменения). Суммарная общая пористость складывается из межзерновой, трещинной и кавернозной и включает первичную и вторичную:

где – коэффициенты, выражающие пористость межзерновую, трещинную и кавернозную.

Формально первичную (межзерновую) и вторичную (трещины, каверны) пористости можно представить в виде срезов (рис. 14).

Рис. 14. Виды пористости

Пористость – фундаментальное свойство породы, от которого зависит большинство ее физических свойств. Как самостоятельный физический параметр kп детально изучается в нефтяной и газовой геологии. Различают общую, открытую, эффективную и динамическую пористости.

Общая пористость – интегральная характеристика всех пор, следовательно, ее можно определить так:

Образец экстрагированием и высушиванием привести в абсолютно сухое состояние и выделить единичный объем Vc.
Единичный объём образца переработать в порошок, высушить и определить объем минеральной части скелета, то есть Vм.
Определить объём пор как разность Vc и Vм, то есть:

Vпор = Vc – Vм.

Вычислить kп как отношение Vпор и Vc, поскольку при высушивании образец не меняет своего объёма.

так как mc = mм, то:

В результате лабораторных определений kп, м и с получается комплексная характеристика пород по пористости и плотности.