Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего и профессионального образования

« РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»

Инженерный факультет

¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

В.И. БРОВКИН, О.В. МАКАРОВСКИЙ

П Е Т Р О Ф И З И К А

Учебное пособие

Москва

Российский университет дружбы народов

2012

УДК 550.3(07) У т в е р ж д е н о

ББК 26.2я73 РИС Учёного совета

А16 Российского университета

Дружбы народов

В.И.Бровкин, О.В. Макаровский . Петрофизика [ Текст ] : Учебное пособие/ М.: РУДН, 2013. – 90 с.

Подготовлено в соответствии с программой

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Для студентов IV курса специальности « Геология и разведка месторождений полезных ископаемых».

Подготовлено на кафедре месторождений полезных ископаемых и их разведки им. В,М,Крейтера

ISBN…………….

В.И. Бровкин, О.В. Макаровский 2013.

Российский университет дружбы народов, Издательство, 2013

Тема 1. В в е д е н и е

Петрофизика – одно из направлений наук о горных породах, об их физи-ческих характеристиках. Петрофизические исследования предусматривают изучение физических свойств горных пород и руд различного состава, гене-зиса и возраста с целью установления геодинамики литосферы, тектоничес-кого строения земной коры, условий геодинамического развития регионов, условий, газо-, нефте и рудообразования.

Физические свойства – это характерные качества, присущие веществам –твёрдым, жидким и газообразным. Из минералогии нам уже известны неко- торые физические свойства минералов: блеск, цвет, спайность, твердость.

Чтобы определить, какие геологические задачи можно решить геофизи–ческими методами, нужно знать те физические свойства пород и минералов, которые создают используемые в геофизике физические поля. Это: плотность, электропроводность, упругость, магнитность, радиоактивность, тепловые и другие свойства.

В геофизике мы изучаем аномальные физические поля. Последние создаются как рудными объектами или скоплениями углеводородов, так и

вмещающими их породами: интрузиями, зонами тектонических деформаций, зонами гидротермальных или контактово-метасоматических преобразований - зонами метаморфизма, геологическими границами и пр. Их также можно обнаруживать и изучать по созданным ими аномалиям в различных физичес-ких полях.

Физические свойства вещества различной природы зависят от особен-ностей строения внешних и внутренних электронных орбит атомов, строения электронной оболочки и массы ядер (см.рис.1.1).

Плотность s, является одной из основных констант вещества (от хими-ческих элементов до планет и звёзд) и определяется их массой и объёмом т.е.массой и радиусами их ядер.

Рис. 1.1.

Начнем со строения атомов химических элементов. В общем случае

характер изменения атомных радиусов элементов в периодической таблице Менделеева определяет периодичность изменения их плотности, скорости распространения упругих колебаний и температуры плавления; направленное возрастание массы атомов Z ведёт к направленному возрастанию электропроводности g, магнитной восприимчивости и теплопроводности  (рис. 1.2). Подобная периодичность существует и для твердости и поляризуемости, не показанных на рисунке 1.2.

Изменения теплопроводности, магнитной восприимчивости с ростом атомного номера также имеют периодический характер (рис.1.3), что связано с периодическим изменением строения электронных орбит этих элементов. Элементы первых половин периодов парамагнитны* в связи с не- заполненностью электронами внешних орбит. Элементы вторых половин периодов диамагнитны* в связи с их заполненностью.

Элементы группы железа (Fe, Ni, Co) ферромагнитны в связи с незаполненностью электронами внутренних орбит их атомов, повышая способность к намагничиванию диамагнетиков и парамагнетиков в 10⁵-10⁶ раз, поэтому даже небольшая примесь некоторых типов соединений железа, именуемых ферромагнетиками (магнетит, титаномагнетит, маггемит), резко увеличивают магнитную восприимчивость содержащих их пород.

Элементы Al, Cu, Ag, Au, расположенные в началах каждого второго полупериода 4, 5 и 6 периодов таблицы Менделеева имеют повышенные удельные проводимости g = (1,6-2,3) •10^-8 ом.м.

Высокая электропроводность присуща большинству рудных минералов, катионы которых представлены электропроводящими элементами: Cu, Ag, Au, а также самородными Cu, Ag, Au.

Самые высокие полупроводниковые параметры имеют Ge, Se, Te.

Минералы, состоящие из рассмотренных выше элементов, имеют свойства, отличные от свойств самих элементов, т.к. в соединениях занятость электронных орбит их атомов становятся иной. Так, например, элементы С и Ti имеют на внешних орбитах свободные электроны и обладают повышенным магнитным моментом, являясь парамагнетиками, а в соединениях ионы этих элементов не имеют несвязанных электронов и эти соединения диамагнитны.

―――――――――――――――――――――――――――――――――* понятия диа- и парамагнетизма будут рассмотрены ниже в соответствующих разделах

Напомним основные черты строения атомов вещества в зависимости от положения элементов в периодической таблице Д.И.Менделеева.

Высокая электропроводность свойственна большинству рудных минералов, катионы которых представлены электропроводящими элементами Cu, Ag, Au, а также самородными Cu, Ag, Au.

Самые высокие полупроводниковые параметры имеют Ge, Se, Te.

На физические свойства минералов влияет также плотность упаковки атомов в кристаллической решетке. Так, например, плотность галита NaCl равна 2,1 ^г/_см³, хотя плотность Na 0, 97 ^г/_см³ , а плотность Cl 0, 0001 ^г/_см³. Плотность корунда Al₂O₃ равна 4,02 ^г/_см³ в то время как плотность алюминия 2,69 ^г/_см³, а кислорода 0,0001 ^г/_см³. Вместе с тем плотность минералов, включающих в себя элементы с тяжелыми ядрами, всегда велика, например галенит PbS имеет плотность 7,58 ^г/_см³.

Упругие свойства в большей степени, чем плотность, зависят от особенностей кристаллической решетки. Скорости в осадочных, эффузив-ных, интрузивных и метаморфических породах увеличиваются с ростом их плотности. Для рудных минералов и самородных металлов имеет место обратная зависимость (рис.1.4.) .

На физические свойства минералов влияет также плотность упаковки атомов в кристаллической решетке. Так, например, плотность галита NaCl равна 2,1 ^г/_см³, хотя плотность Na 0,97 ^г/_см³ а плотность Cl 0,0001 ^г/_см³. Плотность корунда Al₂O₃ равна 4,02 ^г/_см³ в то время как плотность алюминия 2.69 ^г/_см³, а кислорода 0,0001 ^г/_см³. Вместе с тем плотность минералов, включающих в себя элементы с тяжелыми ядрами, всегда велика, например галенит PbS имеет плотность 7.58 ^г/_см³.

Упругие свойства в большей степени, чем плотность, зависят от особенностей кисталлической решетки. Скорости в осадочных, эффузивных, интрузивных и метаморфических породах увеличиваются с ростом их плотности. Для рудных минералов и самородных металлов имеет место обратная зависимость (рис.1.4.) .

Для кристаллических веществ характерна анизотропия физических свойств, но для различных свойств она различна. Так, галит анизотропен по скорости, но изотропен по тепловым и оптическим свойствам. Графит анизотропен по скоростям (скорость в нем вдоль слоев выше, чем поперек них), алмаз же изотропен. Кроме того, алмаз - хороший изолятор, а графит хорошо проводит электричество. Плотность алмаза значительно выше, чем у графита.

Кристаллическая структура имеет решающее влияние на магнитную восприимчивость минералов железа за счет сильного взаимодействия в нем его атомов. По этой причине среди минералов железа есть несколько ферромагнетиков, а остальные минералы железа имеют магнитную восприимчивость в десятки тысяч - миллионы раз меньшую, чем у ферромагнетиков. Так, например, магнитная восприимчивость пирита Fe S₂

=2•10^-5 ед. CИ при магнитной восприимчивости железа в несколько ед. СИ и при диамагнетизме серы. Но магнетит Fe₃O₄ – ферромагнетик с магнитной восприимчивостью приблизительно равной магнитной восприимчивости железа.

По мере изоморфного замещения атомами железа растёт магнитная восприимчивость пироксенов, оливинов и гранатов, тогда как при отсутствии атомов железа в кристаллической решетке их κ ≤ 25 ∙10 ^-5 ед.

Рис. 1.4. Изменение плотности  и скорости распространения упругих волн V_p в химичес- ких элементах минералов, горных породах и рудах. По Н.Б. Дортман и М.Ш. Магиду.

Химические элементы, технические и самородные металлы кристаллических типов: 1, 2; минералы с типом связи: 3 – ковалентной, 4 – ионной, 5 – ковалентно-металлической, 6 – металлической; 7 – метеориты; горные породы: 8 – осадочные и кайнозойские эффузивные, 9 – интрузивные, палеотипные эффузивные, метаморфические ; 10 – руды.