Тема 6. Плотность

Плотность — свойство пород иметь определенную массу единицы объема, отличную от удельной массы их других разностей.

б_п= т _п / V_п .

где б_п – плотность; т _п - масса породы; V_п – ее объем.

В общем случае случае масса породы состоит соответственно из массы твердой, жидкой и газовой фаз при малоглинистой породе. Плотность породы равна сумме плотности сухой породы б_с и произведению коэффициента влагоемкости w на плотность жидкости б_ж :

б_п = б_с + w б_ж

Единицей измерения плотностей является кг/м³, г/см³.

Значения плотности пород определяются по образцам из обнажений и скважин. Плотность пород оценивается по плотности ее фаз, значениям коэффициентов пористости и влагоемкости.

Для глинистых пород и глин уравнение неверно из-за усадки -уменьшения их порового объема при высушивании. Плотность глинистых пород оценивается по содержанию в породе глинистых фракций и экспериментальной зависимости для данного района.

Плотности флюидонасыщенных пород определяется с учетом плотностей этих фаз, коэффициентов их пористости и влажности.

6.1. Плотность газов, жидкостей и минералов

Газовая фаза. Плотность воздуха при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа равна 0,0012 г/см³, плотность углеводородных газов находится в пределах от 0,000715 (метан) до 0,00317 (пентан) г/см³.

Жидкая фаза. Природная поровая вода, плотность которой при температуре 20 °С в зависимости от минерализации изменяется от 1,01 г/см³ (пресная) до 1,24 г/см³ (предельно крепкий рассол), и смеси этой воды с нефтью, представляют собой жидкую фазу. Если последняя состоит из смесей нефти с водой, ее плотность определяется плотностями входящих в ее состав нефти и воды.

Плотность нефтей изменяется в зависимости от их химического состава от 0,72 до 1 г/см³ и редко бывает больше.

Минералы. Плотность твердой фазы пород определяет их минеральный состав. Коэффициент пористости этих сред мал (менее 1%), их плотность б_т примерно равна плотности б_м всего минерала.

Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов значительной относительной атомной массы, и чем плотнее атомы упакованы в единице объема. Упаковку определяют атомные (ионные) радиусы, валентности и тип связи частиц.

Влияние радиуса частиц легко показать, сравнивая плотность ионных кристаллов сильвина и галита. Хотя в состав сильвина входит атом калия с большей относительной массой, чем атом натрия, находящийся в молекуле галита, плотность сильвина (1,99 г/см³) меньше плотности галита (2,1-2,2 г/см³) за счет различия в ионных радиусах К и Nа, равных соответственно 0,0133 и 0,098 нм.

Зависимость плотности от валентности ионов в составе минералов, объясняется так. Крупные ионы (например, О^2-, S^2-, Сl^-) многих минералов образуют плотнейшие упаковки. Катионы меньшего радиуса располагаются между ними. Катионов между анионами может быть тем больше, а, следовательно, плотность минерала тем значительнее, чем меньше их валентность и выше валентность анионов.

Зависимость плотности от структуры минерала и плотности упаковки его атомов или молекул может быть показана на примере одинаковых по химическому составу, но различных по структуре минералов. Хотя графит и алмаз имеют идентичные химические составы, структура их резко различна. Графит характеризуется слоистой структурой при расстоянии между слоя­ми 0,34 нм и расстоянии между атомами в слое 0,142 нм, а алмаз — более плотной структурой с расстоянием между атомами 0,154 нм, это сказывается на плотностях этих минералов, равных соответственно 2,2 и 3,5 г/см³. Плот­ность, для большинства минералов, изменяется от 0,98 для льда до 22,5 г/см³ для иридистого осмия. Минера­лы классифицируются на плотные (6_т>4), средней (б_т= 2,5-4,0) и малой (б_т<2,5 г/см³) плотности.

Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности.

К плотным минералам относятся: селен, теллур, самородные металлы, сульфиды, более половины окис­лов и гидроокислов, редкие из силикатов (торит, циркон и др.), редкие из фосфатов (монацит, карнотит и др.), некоторые из карбонатов (церуссит, витерит и др.), вольфраматы (шеелит, вольфра­мит и др.), некоторые из сульфатов (барит, англезит и др.), хлоридов и бромидов: бромирит, каломель и др. В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой относительной атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь), они также характеризуются относительно малым атомным (ионным) радиусом; у этих минералов обнаруживается и плотнейшая укладка атомов – кубическая и гексагональная.

К минералам малой плотности принадлежат – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минералы класса силикатов (монтмориллонит); водные карбонаты (сода); водные сульфаты, галит, сильвин. Минералы малой плотности содержат элементы с малой относительной атомной массой (водород, углерод, кислород, натрий, кремний, сера, хлор, калий и др.); многие из них (лед, графит, кальцит и др.) характеризуются рыхлой структурой.

Плотность породообразующих минералов осадочных горных пород изменяется от 1,85 (для аллофана) до 5,18 г/см³ (для пирита), причем большинство из них является минералами средней плотности. Плотность рудных минералов достигает больших значений, изменяясь от 2,3 (гидраргиллит) до 7,5 г/см³ (галенит). Плотность породообразующих минералов магматических пород достигает 4 г/см³ и более.