Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Горные породы - природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин «горные породы» в современном смысле впервые употребил в 1798 г. русский минералог и химик В. М. Севергин.

Горные породы представляют собой парагенетические (совместно рожденные) сочетания разных по составу минералов. Различный генезис (происхождение) горных пород определяет разнообразие их минерального состава. Количественное содержание минералов в магматических горных породах определяет исходный химический состав магмы, из которой были выделены эти минералы. Для осадочных горных пород характерна механическая смесь разных минералов. Минеральный состав метаморфических горных пород зависит от химического состава исходных пород и термодинамических параметров -

давления и температуры. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц горных пород обусловливают их структуру (определяется под микроскопом) и текстуру (определяется макроскопически визуальными наблюдениями).

Как физическое тело горная порода характеризуется группой базисных свойств (табл. 6), в которую входят плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства.

Таблица 6

Наиболее вероятные пределы изменения свойств горных пород

Параметр

Величина

Пористость

До 60 %

Плотность

800-8000 кг/м3

Модуль Юнга

10-20 ГН/м2

Коэффициент Пуассона

0,07-0,38

Предел прочности на сжатие

до 500 МН/м2

Предел прочности на растяжение

до 20 МН/м2

Удельная теплопроводность

0,1-10 Вт/(м К)

Коэффициент линейного расширения

МО 6-910 5 1/°С

Удельное электрическое сопротивление

10 3|40м-м

Относительная диэлектрическая проницаемость

от 2 до >150 ед. ем

Относительная магнитная восприимчивость

(0-50 000)-10 5 ед. СИ

Свойства горных пород определяются их минеральным составом и строением, а также внешними условиями образования. Важными параметрами являются пористость и трещиноватость горных пород. Поры могут быть частично заполнены жидкостью, поэтому свойства горных пород зависят одновременно от свойств твёрдой, газообразной и жидкой фаз и их взаимного соотношения. Пористость и трещиноватость особенно важны при оценке горных пород как коллекторов нефти и воды, а также скорости их притекания к источнику, буровой скважине и т. д. Ими же определяются влаго- и газоёмкость горных пород, а также их водо- и газопроницаемость. В магматических горных породах количество газовых пустот может достигать 60-80 % (пемзы и пемзовые туфы) и понижаться почти до нуля. В осадочных горных породах поры создаются в момент осадкообразования (межзерновые поры) и могут исчезать или сохраняться при цементации. Большое количество пор возникает при накоплении твердых зёрен (раковины радиолярий и диатомовых). Метаморфические горные породы обычно малопористы, но имеют трещины, вызываемые деформацией горных пород.

С пористостью и минеральным составом тесно связана плотность, которая в горных породах, лишённых пористости, определяется слагающими их минералами. Рудные минералы имеют высокую плот-

ность (до 5000 кг/м3 у пирита и 7570 кг/м3 у галенита); меньшая плотность характерна для минералов осадочных пород (например, каменная соль имеет плотность 2100 кг/м ). Плотность горных пород из-за пористости может сильно отличаться от плотности слагающих её минералов. Так, пемзовые туфы Армении имеют плотность около 800-900 кг/м', граниты, мраморы, плотные известняки и песчаники - около 2600 кг/м3. Плотность горных пород легко рассчитывается по минеральному составу и пористости; возможны и очень полезны обратные расчёты.

Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения и др., определяются в первую очередь минеральным составом, прочностные же и упругие свойства горных пород, их теплопроводность и электропроводность зависят главным образом от строения пород и особенно сил связей между зёрнами. Наличие преимущественной ориентировки зёрен приводит к анизотропии свойств. В ее создании может участвовать также ориентированная трещиноватость.

Свойства горных пород, определённые вдоль и поперёк слоистости или прожилковатости, как правило, отличаются друг от друга. При этом модуль Юнга, предел прочности на растяжение, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемости больше вдоль слоистости, а предел прочности на сжатие - поперёк слоистости. У мелкозернистых горных пород прочностные свойства выше, а у крупнозернистых ниже. Особенно высокие значения предела прочности на сжатие имеют мелкозернистые породы с волокнистым строением (например, нефрит до 500 МН/м“). Низкий предел прочности на сжатие характерен для многих осадочных пород (каменной соли, гипса и др.). Упругие свойства пород определяют их акустические (скорость распространения, коэффициент преломления, отражения и поглощения упругих волн) и электромагнитные свойства (соответственно скорости распространения, коэффициенты поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн). Горные породы, как правило, плохие проводники тепла, причём с повышением пористости их теплопроводность ухудшается. Большей теплопроводностью обладают породы, содержащие полупроводники -графит, железные и полиметаллические руды и т. д. По электропроводности большинство горных пород относится к диэлектрикам и полупроводникам. Магнитные свойства горных пород в первую очередь определяются присутствующими в них ферромагнитными минералами (магнетит, титаномагнетит, гематит, пирротин).

Свойства горных пород зависят также от воздействия механического (давление), теплового (температура), электрического, магнитного, радиационного (напряжённости) и вещественного (насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей. При насыщении водой скальных пород увеличиваются упругие параметры, теплопроводность, теплоемкость, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость; при насыщении водой легко растворимых минералов (галоидные соединения), а также глинистых пород их упругие и прочностные показатели уменьшаются. Изменение свойств пород под воздействием давления вызвано их уплотнением, смятием пор, увеличением площади контакта зёрен. С увеличением давления в глубоких земных горизонтах обычно в горных породах возрастают электропроводность, теплопроводность, прочность и т. д. Повышение температуры снижает упругие и прочностные и усиливает пластические характеристики пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает теплоёмкость, электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или к уменьшению упругих и прочностных свойств пород в зависимости от направления результирующих напряжений. Перестройка кристаллической решётки минералов от нагрева (полиморфные превращения и др.) вызывает появление аномальных точек на графике зависимости свойств от температуры. Для кварцитов наблюдаются минимальное значение модуля Юнга и максимальное значение коэффициента линейного расширения в точке полиморфного перехода Р-кварца в а-кварц (573 °С). Воздействие тепла приводит также к спеканию, разложению, плавлению, возгонке, испарению отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород. Напряжённость и частота электромагнитных полей оказывают наибольшее влияние на электромагнитные и радио-волновые свойства пород. Это обусловлено энергетическим воздействием полей на частицы пород, в результате чего происходят их электрическая и магнитная переориентировка (поляризация и намагничивание), возбуждение электронов и ионов. Повышение напряжённости приводит к росту электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Как объект горных разработок горные породы характеризуются различными технологическими свойствами: крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью и т. д. Крепость -сопротивляемость пород механическому разрушению, абразивность - способность пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и т. д. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко используется классификация горных пород по крепости).

Изучение вещественного состава, физических и физикохимических свойств горных пород является основным источником информации в геофизике, геологии (в том числе инженерной) и в горном производстве.

По происхождению горные породы подразделяют на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90 % объёма земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75 % площади земной поверхности.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>