Твердая компонента горной породы

Характеристика сил связи в структуре горной породы

Характеристика сил связи в структуре горной породы.

Горная порода - это гетерогенная система, состоящая из частиц твердой фазы, представленной минералами-диэлектриками, полупроводниками, проводниками, жидкой фазы, создающей токопроводящие каналы между частицами твердой, жидкой и газовой фаз, находящихся в порах и полостях трещин.

В гетерогенных системах, какими и являются горные породы, различают силовые взаимодействия как внутри фаз, так и между фазами. Эти взаимодействия между зернами твердой компоненты и внутри них определяют устойчивость горной породы к механическим воздействиям: сопротивляемость пород разрушению.

Между компонентами горной породы действуют следующие силы: силы связи химической природы, молекулярные силы, ионно-электростатические силы, капиллярные и магнитные силы.

1) Силы связи химической природы. Эти силы обусловлены электрическим воздействием между атомами и могут быть ионными и ковалентными. Образование ионных сил вызвано электроотрицательностью взаимодействующих атомов, их способностью захватывать электроны «в личное пользование». При образовании ионной силы валентные электроны от атома с меньшей электро-отрицательностью переходят к атому с большей электро-отрицательностью с образованием двух противоположно заряженных ионов, между которыми возникает связь за счет кулоновского притяжения.

Ковалентные силы между различными атомами возникают в том случае, когда происходит обобществление электрона различными атомами.

Энергия связи (количество энергии, выделяющейся при образовании данной связи между атомами) сил химической природы достигает 200 - 1200 Дж/моль. Радиус эффективного действия ( 3 - 4)10^-10 м, т.е. эти силы являются близкодействующими.

К связям химической природы относят и водородную связь. Она возникает тогда, когда между двумя отрицательно заряженными ато-мами вещества появляется атом водорода. Такая связь характерна для водородосодержащих соединений. Энергия этой связи достигает 40 Дж/моль.

Твердая компонента горных пород состоит из минеральных частиц различной природы. Основное участие в строении твердого скелета горных пород принимают несколько десятков минералов, хотя общее их количество достигает 2000. Эти минералы получили название породообразующих. Породообразующие минералы имеют кристаллическое строение и делятся на следующие группы: первичные силикаты (кварц, полевые шпаты, оливин, пироксены и др.), в структуре которых преобладают ковалентные связи; простые соли (карбонаты, сульфаты, галоиды) с преобладанием в структуре ионных связей; глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и др.) с несколькими видами связей; органическое вещество.

Силикаты являются главными породообразующими минералами магматических, метаморфических и большого числа осадочных горных пород. Силикаты являются диэлектриками. Среди осадочных горных пород широко распространены простые соли. Их основной особенностью является большая растворимость в воде. Это связано с ионным типом внутрикристаллических связей.

Глинистые минералы, образованные в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью (линейный размер глинистого минерала - 10^-6 м и менее, удельная поверхность каолинита достигает 10 м²/г, а монтмориллонита - 800 м²/г) и слоисто-ленточным строением. Но главнейшей особенностью глинистых минералов является их способность к электрическому заряжению своей поверхности в результате изоморфизма.

каолинит < монтмориллонит < гидрослюда.

В естественных условиях залегания глинистой горной породы отрицательный заряд поверхности глинистых минералов нейтрализован катионами-компенсаторами, которые располагаются на внешней поверхности глинистой частицы: положительные катионы, с одной стороны, и отрицательные заряды глинистой частицы, с другой стороны, образуют двойной электрический слой. Двойной электрический слой состоит из адсорбционного и диффузионного слоев ионов.

Глинистый минерал вместе с возникшим двойным электрическим слоем образует мицеллу, размер которой значительно превосходит размер частицы глинистого минерала, являющегося ядром мицеллы. В результате мицелллообразования объем глинистой горной породы при увлажнении может увеличиться многократно, причем процесс набухания развивается во времени. Размер мицеллы определяется природой глинистого минерала: чем больше величина структурного отрицательного заряда на поверхности глинистого минерала и выше дисперсность, тем больше прирост объема.

В водной среде вокруг ядра возникает раствор с аномальными физическими свойствами: в адсорбционной части двойного электрического слоя, т.е. непосредственно около ядра мицеллы, образуется прочно связанная вода. В диффузионном слое возникает связанная вода.

Образование связанной воды приводит к тому, что глинистая горная порода, будучи высокопористой (пористость доходит до 70 %), тем не менее, является водонепроницаемой. Фильтрация жидкости через поры, в которых находится связанная вода, возможна только при создании значительного перепада давления.

Плотность горных пород в значительной степени определяется плотностью входящих в их состав минералов, жидкости и газа, находящихся в порах, величиной пористости. Плотность с_т твердой компоненты большинства горных пород (масса единицы объема твердой фазы) составляет (2,2 - 2,84)10³ кг/м³. Масса единицы объема горной породы с (плотность) всегда меньше плотности с_т минерального скелета породы. Такое отличие обусловлено наличием пор в горной породе. С увеличением содержания в породе тяжелых минералов плотность породы растет. Плотность сухой горной породы называется объемной массой.