Пористость, плотность горных пород

Минералы

 

Под минералом понимают любое природное химическое соединение, образовавшееся при различных химических и физико-химических процессах в земной коре. К минералам относятся также индивидуализированные элементы, обнаруживаемые в земной коре (самородные металлы и металлоиды).

Минералы могут быть газообразные (природный газ), жидкие (нефть, ртуть, вода) и твердые (рудные минералы и др.). Количество природных соединений ограниченно; всего на настоящее время, известно около 4100 различных минералов. В большинстве случаев это твердые кристаллические химические соединения. Каждый год открывают в среднем около 50 новых минералов. В настоящее время многие минералы выращиваются искусственно.

Минералы распределяются в земной коре весьма неравномерно. В образовании горных пород основную роль играют только около 30 так называемых породообразующих минералов, из которых наиболее распространены полевые шпаты — натриевые, калиевые и кальциевые алюмосиликаты, составляющие 60% верхней части земной коры, амфиболы и пироксены — 17%, кварц — 12% и слюды — 3,8%.

Большинство других минералов присутствует в породах в незначительном количестве. Однако именно они имеют огромное значение для различных производств. В тоже время, такие добавочные (акцессорные) минералы оказывают большое влияние на свойства горных пород.

Минералы встречаются в виде одиночных хорошо образованных кристаллов и зерен, рассеянных в породе, поликристаллических плотных и землистых масс, натеков, налетов, корочек и желваков. Некоторые кристаллы, такие, как кварц, полевой шпат и сподумен, могут быть очень больших размеров, однако большинство минералов встречается в виде мелких кристаллов.

Минералы имеют свою пространственную решетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кристалла. Известно семь типов (сингоний) кристаллических решеток, характеризуемых отношениями размеров кристаллических осей  a, b, c (наименьших расстояний между узлами решетки в трех направлениях) и углами между ними α, β, γ (рис. 1):

первая сингония — триклинная (a ≠ b ≠ c; α ≠  β ≠  γ ≠ 90°);

вторая сингония — моноклинная (a ≠ b ≠ c; α = γ =90°; β ≠ 90°);

третья сингония — ромбическа я (a ≠ b ≠ c; α = γ = β ≠ 90°);

четвертая сингония — тетрагональная (a = b ≠ c; α = γ = β =90°);

пятая сингония — тригональная (a = b = c; α = β = γ ≠ 90°);

шестая сингония — гексагональная (a = b ≠ c; α = β = 90° γ =120°);

седьмая сингония - кубическая (a = b= c; α = β = γ =90°);

Физические свойства одиночного кристалла определяются его химическим составом и силами связей между частицами, входящими в пространственную решетку.

Существуют следующие типы связей – ионная (полярная), ковалентная (гомеополярная), металлическая, молекулярная.

Если взаимодействующие атомы имеют различную электроотрицательность, валентные электроны [1] от атома с меньшей электроотрицательностью переходят к атому с большей электроотрицательностью. В результате образуется ионная, или полярная, связь, обусловленная кулоновскими силами взаимодействия. Характерными представителями минералов с ионным типом являются галит КС1 и сильвин КС1.

В случае если соединяющиеся атомы имеют равные или между собой близкие значения электроотрицательности, то связывающие их электроны располагаются симметрично по отношению к ядрам этих атомов. Возникает ковалентная [2], или гомеополярная, связь, которую имеют, например, кварц и алмаз; минералы, обладающие такой связью, характеризуются большой твердостью и высокой температурой плавления.

В узлах решетки металлов находятся лишь положительные ионы[3]. Валентные электроны отделены от своих атомов и легко могут переходить от одного иона к другому; такого типа связи называются металлическими, их имеют, например, самородные золото и медь.

Если решетка кристалла образуется не атомами, а нейтральными молекулами, то связь между ними обуславливается электростатическими силами притяжения, возникающими вследствие поляризации взаимодействующих молекул; такие связи называются молекулярными и по величине меньше предыдущих.

Свойства поликристаллических агрегатов наряду со свойствами составляющих кристаллов также зависят от сил сцепления между кристаллами. Эти силы обычно слабее внутрикристаллических и близки по величине к молекулярным.

Кристаллы анизотропны; их свойства зависят от направления, в котором производится измерение.

В агрегатах кристаллы обычно не ориентированы, располагаются беспорядочно, поэтому минеральные агрегаты в целом почти изотропны. Они имеют различную макроструктуру, определяющую их свойства. Макроструктура характеризуется размерами, формой кристаллов и их взаимным расположением. Широко распространены зернистые, лучистые, волокнистые, болитовые и другие минеральные агрегаты.

Характерным признаком некоторых минералов является спайность — способность раскалываться по плоским блестящим поверхностям. Явление спайности — следствие наличия в минералах направлений с ослабленным сцеплением частиц. Весьма развита спайность, например, у слюды. Агрегаты, сложенные такими минералами, анизотропны.

По химическому составу минералы принято делить на следующие группы:

самородные элементы (золото, серебро, мышьяк, сера, сурьма, алмаз);

сульфиды (халькозин Сu₂S, сфалерит ZnS, киноварь HgS, пирит FеS₂);

окислы (куприт Сu₂О, корунд А1₂O₃, гематит Fе₂O₃, кварц SiO₂);

силикаты (оливин, тальк, мусковит, биотит, серпентин, каолинит, калиевые полевые шпаты);

соли кислородных кислот — сульфаты, вольфраматы, карбонаты и т. д. (ангидрид СаSO₄, барит ВаSO₄, шеелит СаWO₄, кальцит СаСО₃);

галоидные соединения (флюорит СаF₂, галитNаС1, сильвин КС1).

Минералы подразделяются по генезису [4] на группы. Различают магматогенные минералы, образовавшиеся как непосредственно из магмы, так и из магматогенных горячих растворов, экзогенные (осадочные) минералы, возникшие вблизи поверхности Земли при участии агентов выветривания, и метаморфические минералы, образовавшиеся на глубине в результате изменения других минералов.

Часто один и тот же минерал может образовываться в различных условиях. Например, слюда может быть магматогенной и метаморфической.

 

 

Лекция №3

Горные породы

Горная порода — это природное образование, агрегат минералов более или менее постоянного состава, слагающий самостоятельные геологические тела. Если минерал — химическое соединение элементов, то горная порода — механическое соединение минералов. Горная порода может состоять из кристаллических, аморфных, жидких и газообразных минералов.

Свойства пород в первую очередь зависят от их минерального состава и макростроения (структурно-текстурных признаков). Содержание в породе различных минералов, выраженное в процентах, называется ее количественным минеральным составом и является одним из основных определяющих ее признаков.

В зависимости от характера связей отдельных зерен различают следующие типы пород:

рыхлые (раздельно-зернистые) породы — механические смеси различных минералов или зерен одного минерала, не связанных между собой, например песок, гравий, галечник;

связные (глинистые) породы — породы с водно-коллоидными связями частиц между собой; например глины, суглинки, бокситы; их отличительной особенностью является высокая пластичность при насыщении водой;

твердые (скальные и полускальные) породы — породы с жесткой, упругой связью между частицами минералов, например песчаники, граниты, диабазы, гнейсы; связи между минеральными зернами скальных пород наиболее прочны.

Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура.

 

Структура
Кристаллическая: грубо - и крупнозернистая	Порода целиком состоит из кристаллических зерен; размер зерен 0,5- 5 мм
среднезернистая	Размер зерен до 0,5 мм
мелкозернистая	Размер зерен менее 0,25 мм
афанитовая	Зерна различимы лишь в лупу
Скрытокристаллическая	Кристаллы не видны даже при увеличении
Стекловатая	Сплошная стекловатая масса
Порфировая	В общую стекловатую или кристаллическую массу вкраплены крупные зерна
Обломочная	Породы сцементированы из обломков
Текстура
Массивная	Частицы породы не ориентированы, плотно прилегают друг к другу
Пористая	Частицы породы не плотно прилегают друг к другу, образуя большое число микропустот
Слоистая	Частицы породы чередуются, образуя слои и напластования

 

Если название породы обычно дает общее представление о ее минеральном составе и строении[5], то судить о свойствах пород, основываясь, лишь на их названии, можно только весьма приближенно. Только изучение минерального состава и строения конкретных пород дает возможность прогнозировать их физико-технические характеристики.

Как минеральный состав, так и строение горных пород определяются их генезисом и воздействием различных внешних факторов движением земной коры, деятельностью ветра и воды, давлением, температурными колебаниями) в течение всего периода их существования.

Магматические породы (гранит, сиенит, дунит, габбро, базальт, диорит) по содержанию кремнезема (SiO₂) условно подразделяются на кислые (> 65%), средние (52 - 65%), основные (52 - 40%) и ультраосновные (<40%). Наиболее распространенными кислыми породами являются гранит, липарит, кварцевый порфир; средними — диорит, андезит, сиенит, трахит; основными — габбро, базальт; ультраосновными — перидотит, пироксенит, дунит.

Осадочные породы — породы, возникшие путем отложения (механического, химического или органического) из воды или воздуха продуктов разрушения магматических и метаморфических пород (известняки, песчаники, трепела, ископаемые угли, осадочные железные руды и др.).

Метаморфические породы — породы, возникшие в результате преобразования магматических или осадочных пород под воздействием высоких давлений, температур и горячих газоводяных растворов (кварцит, кристаллические сланцы, гнейсы, мрамор).

Каждой генетической группе свойствен определенный ряд минералов. Для магматических пород характерны лейцит, нефелин, анортоклаз, оливин; для метаморфических — гранаты, тальк, сер­пентин; для осадочных — кальцит, гипс, доломит, галоидные соединения, каолинит и др.

Условия образования горных обуславливает их строение. Например, в магматических породах крупность кристаллов, их форма, наличие или отсутствие стекловатой массы обусловлены давлением и скоростью затвердевания магмы.

В осадочных породах слоистость и пористость, а также способ цементации обломочного материала определяется условиями накопления осадков.

В метаморфических породах степень метаморфизации пород их перекристаллизацию и, следовательно, строение (сланцеватость, пористость, зернистость) определяют температура и состав горячих растворов, давление, его характер и длительность воздействия.

В магматических породах практически отсутствует слоистость, в то время как в осадочных толщах слоистость является одним из основных признаков строения.

Отличительной особенностью горных пород является их многоагрегатность, так как поры и трещины пород в естественных усло­виях обычно заполнены газами, жидкостью или инородными породами, что предопределяет изменение физических характеристик породы в широких пределах.

Характерными многоагрегатными представителями являются ископаемые угли (органогенные горные породы), и представляющие собой аморфную массу, являющуюся механической смесью или твердым раствором различных органических компонентов с включением неорганических примесей[6].

 

Лекция №4

Пористость, плотность горных пород

 

Общая пористость пород Р количественно выражается через объем всех пор V_П в долях единицы (часто в процентах) от общего объема породы (V₀ + V_П).

Отношение объема пор к объему минерального скелета V₀ породы называется коэффициентом пористости k_п

 , следовательно

Поры в горных породах по происхождению делятся на первичные, формирующиеся при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате различных процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т. п.

Поры по величине подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк) и сверхкапиллярные (более 100 мк). Принято выделять и рассматривать отдельно такие пустоты в породах, как трещины и каверны.

По форме поры могут быть самого различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т. п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы.

Часто поры могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открыто й (эффективной) пористостью. При этом Р_эф < Р.

Пористость горных пород изменяется в значительных пределах — от долей процента до 90%. Высокой пористостью обладают осадочные породы, а магматические породы имеют незначительную пористость. Исключение составляют изверженные разности пород, такие, как туфолавы, трахит (Р = 55 - 60%). Выветрившиеся магматические породы также имеют высокую пористость.

Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагающих породу, от степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности.

Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с окатанными зернами, наибольшей - с угловатыми плоскими зернами. На величину пористости существенно влияет взаимное расположение зерен.

У равномернозернистых пород пористость больше, чем у неравномернозернистых, поскольку промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими частицами; пористость сцементированных пород тем меньше, чем больше цементирующего материала заполняет промежутки между частицами и чем плотнее сам цемент.

Пористость снижается с увеличением глубины залегания, так как в результате давления происходит уплотнение горных пород.

Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) породы называется плотностью породы δ₀.

Плотность минералов зависит от их химического состава и структуры. Они делятся на тяжелые (δ₀ > 4 г/см³), средние (δ₀= 4 - 2,5 г/см³) и легкие (δ₀ < 2,5 г/см³); 13% всех минералов относятся к легким, 33,8% — к тяжелым, 53,2% — к средним.

Плотность горных пород определяется плотностью слагающих минералов δ_0i и может быть рассчитана по формуле

где n - число минералов, слагающих породу; V_i — доля объема, занимаемого каждым минералом.

Масса единицы объема породы в ее естественном состоянии отличается от массы той же единицы объема, заполненного только твердой фазой породы; такое отличие обусловлено в первую очередь пористостью породы.

Поэтому в горном деле наряду с плотностью широко пользуются понятием объемной плотности δ. Объемной плотностью называется масса единицы объема породы при данной пористости в ее естественном состоянии. Плотность пород всегда больше их объемной плотности.

Связь между объемной плотностью и плотностью выражается через пористость:

δ = δ₀(1 - Р); δ₀ = δ(1 + k_п),

где Р — пористость в долях единицы.

Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, ее объемная плотность в основном зависит от пористости[7].

Объемная плотность малопористых пород в основном зависит от их минерального состава[8].

Объемная плотность большинства пород колеблется от 1,5 до 3,5 г/см³. Большой объемной плотностью обладают рудные полезные ископаемые, так как в их состав в значительном количестве входят тяжелые рудные минералы (гематит, магнезит, сидерит, киноварь).

Низкую объемную плотность имеют гидрохимические осадки — гипс (объемная плотность 2,3 г/см³), каменная соль (2,1 г/см³). Весьма низкими значениями объемной плотности (0,72—2,0 г/см³) обладают каменные угли и торф. Объемная плотность углей определяется их пористостью, содержанием углерода и наличием минеральных примесей. Так как углерод имеет плотность 2,3 г/см³, увеличение степени углефикации приводит к росту объемной плотности углей. Этому способствует также тот фактор, что при переходе к более метаморфизованным углям (бурые угли — газовые угли — антрацит) наблюдается снижение пористости.

Повышенные значения объемной плотности углей одной степени метаморфизации указывают на увеличение в углях минеральных примесей и зольности, поскольку примеси имеют большие значения плотности, чем углерод.

Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом γ₀  породы, а вес единицы объема породы в естественном состоянии — объемным весом γ. Удельный вес породы и ее плотность связаны соотношением

γ₀ =g δ₀

где g— ускорение силы тяжести.

Рис. 3. Изменение плотности магматических пород в зависимости от минерального состава

На практике иногда пользуются коэффициентом плотности k_пл — отношением объемного веса пород к удельному весу (или отношением соответствующих плотностей), характеризующим степень заполнения объема горной породы минеральным веществом:

 

Лекция №5