Плотность горных пород - одна из важнейших их характеристик, позволяющая решать множество прикладных задач в геологии, горном деле и смежных областях.
1. Определение плотности горных пород
Плотность горных пород - это отношение массы породы к ее объему. Обычно измеряется в г/см3 или кг/м3.
Плотность горных пород зависит от целого ряда факторов:
- минеральный состав;
- структура и текстура;
- пористость;
- заполнение пор (газ, жидкость);
- условия образования и т.д.
Различают виды плотности горных пород:
- Минералогическая плотность - отношение массы твердой фазы к ее объему;
- "Объемная плотность" - отношение массы твердой, жидкой и газообразной фаз к их суммарному объему;
- Плотность абсолютно сухой породы и др.
Средняя плотность горных пород составляет около 2,7 г/см3, но в зависимости от состава может варьировать в очень широких пределах - от 1,2 до 5 г/см3 и выше.
2. Методы определения плотности горных пород
Существуют лабораторные и полевые методы определения плотности.
Лабораторные методы подразумевают работу с образцами пород в условиях лаборатории. Наиболее распространен гидростатический метод, основанный на измерении вытесненного образцом объема жидкости с известной плотностью.
Плотность горных пород зависит от их минерального состава, структурно-текстурных особенностей, пористости, вида вещества, заполняющего поры и пустоты (газ, нефть, вода), а также от условий образования и залегания горных пород.
Полевые методы позволяют определить плотность горных пород непосредственно в массиве. Наиболее распространены гравиметрические методы, основанные на регистрации гравитационных аномалий, вызванных неоднородностью плотности в массиве пород.
Еще один полевой метод - плотностной гамма-гамма каротаж скважин - регистрация естественного гамма-излучения горных пород на разной глубине по стволу скважины.
3. Зависимость плотности от состава и условий образования
Плотность горных пород во многом определяется их происхождением и условиями формирования.
Плотность магматических пород
Магматические (изверженные) породы имеют высокую плотность - 2500-3000 кг/м3 и выше, что обусловлено небольшой пористостью (менее 1-2%) и преобладанием тяжелых минералов.
Плотность магматических пород возрастает с увеличением основности - от кислых к ультраосновным. Например, если плотность гранитов составляет около 2600 кг/м3, то для габбро она равна уже 2900 кг/м3.
Плотность метаморфических пород
Плотность метаморфических пород колеблется от 2400 до 3400 кг/м3 в зависимости от их состава и степени метаморфизма.
Контактовый метаморфизм, как правило, приводит к уплотнению пород и увеличению их плотности. Гидротермально-метасоматические изменения, наоборот, вызывают разуплотнение и снижение плотности на 20-40%.
Плотность осадочных пород
Плотность осадочных пород в основном зависит от пористости и степени литификации породы. Обычные значения составляют 1700-2700 кг/м3.
Хемогенные осадочные породы, такие как гипс, ангидрит и каменная соль, имеют наименьшую пористость и наиболее высокую плотность среди осадочных.
4. Практическое значение плотности горных пород
Данные о плотности горных пород имеют большое практическое значение в геологии, горном деле и смежных областях.
В геологоразведке плотность используется при гравиразведке, электроразведке, сейсморазведке для выявления полезных ископаемых.
При добыче полезных ископаемых плотность нужна для расчетов устойчивости бортов карьеров, откосов отвалов и хвостохранилищ, проектирования систем разработки месторождений.
Плотность и обогащение руд
Данные о плотности минералов используются при гравитационных методах обогащения руд. Эти методы основаны на разделении минералов по их удельному весу.
Например, при обогащении железных руд отделяют относительно тяжелую руду (плотность железа 7,8 г/см3) от легкой вскрышной породы (плотность в среднем 2,7 г/см3).
Инженерно-геологические расчеты
Данные о плотности горных пород необходимы при инженерно-геологических изысканиях и проектировании различных сооружений.
Например, плотность используется для расчетов устойчивости откосов дорог, карьеров, плотин, оценки несущей способности грунтов при строительстве фундаментов и многое другое.
Буримость и взрываемость пород
Показатели буримости и взрываемости горных пород также зависят от их плотности.
Чем выше плотность пород, тем хуже они поддаются механическому разрушению бурением или взрывом при проведении горных выработок.
Глубинные изменения плотности
С глубиной под действием возрастающего давления и температуры происходит уплотнение горных пород и изменение их свойств.
Данные о плотности пород на разных глубинах позволяют оценить эти изменения, что важно для понимания геодинамических процессов в литосфере.
Изучение состава и строения Земли
Данные о плотности горных пород используются при изучении внутреннего строения Земли.
Например, анализ распределения плотности с глубиной по геофизическим данным позволяет судить о химическом составе, агрегатном состоянии вещества и фазовых переходах в недрах планеты.
Поиск полезных ископаемых
Аномалии плотности горных пород, устанавливаемые геофизическими методами, служат поисковым признаком для обнаружения месторождений полезных ископаемых.
Например, рудные тела с повышенной плотностью (медь, свинец, цинк, железо) проявляются в виде локальных максимумов на гравитационных и магнитных картах.
Тектонические исследования
Региональные вариации плотности литосферы, устанавливаемые гравиметрическими съемками, позволяют изучать глубинные структуры и тектонические нарушения.
Например, области пониженной плотности могут отражать разуплотненные зоны разломов или внедрение магматических расплавов в земную кору.
Тектонические исследования
Региональные вариации плотности литосферы, устанавливаемые гравиметрическими съемками, позволяют изучать глубинные структуры и тектонические нарушения.
Например, области пониженной плотности могут отражать разуплотненные зоны разломов или внедрение магматических расплавов в земную кору.
На этой карте гравитационного поля видна отрицательная аномалия вытянутой формы, отражающая разуплотненную зону глубинного разлома.
Геологический разрез показывает источник гравитационной аномалии - интрузивное тело повышенной плотности среди вмещающих пород меньшей плотности.
Проведение детальной гравиметрической съемки с использованием высокоточных гравиметров для уточнения строения изучаемого участка земной коры.
