Упругие свойства минералов

Для минералов V_p = 2000-18000 м/сек, V_s= 1100-10000 м/сек. Минимальная скорость у золота, большая у алюмосиликатов, оксидов ( топаз, шпинель, корунд), и самая большая у алмаза.

Существует два типа связи между скоростью и плотностью (рис.1.4.):

1 тип: скорость растет с ростом плотности у силикатов, оксидов в связи с плотной упаковкой в них при атомной массе 20-22, и у всех горных пород;

2 тип: скорость падает с ростом плотности у тяжелых самородных металлов, сульфидов и других руд – у них менее плотная упаковка атомов при атомной массе 20-200.

При изоморфном замещении катионов легких металлов (1 тип) катионами тяжелых металлов (2 тип), например, Mg на Fe, V_p уменьшается на 10-25%.

Связь скорости с плотностью зависит также от термобарических условий образования минералов, например, графит – алмаз; кварц – коэсит (кварц, сформировавшийся в метеоритных кратерах при высоких температурах и давлениях). При этом V_p меняется на 50-300%, s – на 40-60%.

У силикатов с каркасной кристаллической структурой скорости ниже, чем при ленточной, при цепочной или островной структуре (оливин).

Анизотропия скорости наибольшая при листовой структуре, например в биотитах V_p = 7,2-7,8 км /сек вдоль слоев и V_p= 4,2 км /сек в направлении, перпендикулярном к слоям. Разрыхляют структуру и снижают скорость гидроксильные группы, сильнее всего в гиббсите Al(OH)₃ , где скорость уменьшается до 1,5-2 км /сек.

Скорость растет с ростом плотности упаковки атомов и энергии кристаллической решетки и уменьшается с ростом атомной массы, т.к. растет инерционность вещества.

Скорости в магматических и метаморфических породах

Скорости в магматических породах определяются минеральным составом, текстурно-структурными особенностями, составом порового заполнителя и фазовым состоянием вещества.

Наименьшая скорость наблюдается в породах с оксидами Si, K, Na; она увеличивается с увеличением содержания оксидов Са, Mg, Fe.

Скорость растет с переходом от пород кислого состава (содержащие кварц, калиевый полевой шпат, альбит) к породам основного состава (содержащие лабрадор, амфибол, пироксен, оливин) и с ростом плотности упаковки атомов. Влияние атомной массы мало, по закону (m_a )^1/2.

В метаморфических породах добавляется зависимость скорости от термобарических условий их формирования. Они могут увеличивать или уменьшать скорость. В целом, с ростом стадий метаморфизма от низшей к высшей, скорость растет, (например, известняк–мрамор, песчаник–кварцит) на 5-20%. Эти изменения в кислых породах достигают 3-5%, в основных 15-25%. Но на стадии зеленосланцевой фации метаморфизма скорость может падать, особенно в породах основного состава, например, при переходе от диабаза к хлоритовому сланцу в условиях низкого давления, высокой температуры и значительной трещиноватости пород.

Автометаморфизм (серпентинизация, амфобилизация) снижает скорость. Так, при превращении гипербазитов при высокой температуре оливин разлагается на рыхлый (с возникновением групп ОН) серпентин и скорость падает с 8,2 до 5,5 км /сек. При амфиболитизации габброидов и гипербазитов пироксен разлагается, образуя амфибол и плагиоклаз с кристаллизацией хлорита, серицита и эпидота. При этом скорость падает от 8,2 до 7,6 км /сек.

Снижают скорость и процессы ультраметаморфизма. Например, чарнокитизация и гранитизация пород основного и более кислого состава снижают скорость до 5,5-6 км /сек.

Гипергенные процессы увеличивают трещиноватость (особенно в кислых, слабее в основных породах). При этом скорость уменьшается в 2-3 раза. Поры по-разному влияют на скорость: изолированные поры и поровые каналы (структурная пористость) влияют мало; трещинная пористость (текстурная) сильно уменьшают скорость и увеличивают затухание и анизотропию скорости в зависимости от количества трещин и величины зазора в них. Рост пористости на 1% (при общей пористости от 1 до 3%) уменьшает V_p на 0,5-1 км /сек. Замена газа в порах на воду увеличивает V_p на 8-27% и не меняет V_s. Пористость сильнее меняет скорость в кислых породах (до 2 км /сек), чем в основных (на 0,1 - 1 км /сек).

Замена газа в порах на жидкость уменьшает поглощение в 3-4 раза и уменьшает V_p/ V_s от 1,6-2,2 до 1,5-1,9.

Наименьшие скорости и плотности наблюдаются в расплавах. С ростом содержания в них SiO₂ V_p растет, т.к. растет вязкость расплава. Наибольшие скорости и плотности - в кристаллических породах. В кристаллических и аморфных породах скорости близки. Если скорость и плотность увеличиваются с ростом основности, то коэффициент поглощения в них падает.

Скорости в интрузивных породах: Скорости в метаморфических породах:

граниты 5.4-6,1 км /сек гнейсы 5,6-5,9 км /сек

диориты 6,1- 6,2 км /сек амфиболиты 6,2-6,8 км /сек

габброиды 6-7,2 км /сек гранулиты(от средн. к осн.) 6,2-6,8

гипербазиты 7,4-8,2 км /сек эклогиты 7,2-7,8 км /сек

При близких плотностях скорость в магматических породах выше, чем в метаморфических. В последних - большая трещиноватость и меньшая упру-гость составляющих их минералов.

В эффузивных породах пористость большая и поэтому скорость меньше, а затухание больше, с возрастом же скорость растет, а затухание падает, т.к. пористость с возрастом уменьшается. В метаморфизованных осадочных породах скорости те же, что и в магматических и метаморфических породах при тех же плотностях. В магматических и метаморфических породах с ростом скорости растет и плотность.

Анизотропия скорости в магматических и метаморфических породах зависит от расположения в них пор и от типа кристаллической решетки. Анизотропия определяется коэффициентом анизотропии К_а – отношением максимальной скорости к минимальной в различных направлениях в породе.

Анизотропия в водонасыщенной породе К_а = 1 - 1, 23; в изверженных породах с массивной структурой К_а = 1-1,06; в метаморфитах К_а = 1-1,11; наибольшая анизотропия встречается в сланцевых метаморфитах – гнейсах

К_а = 1,02-1,19 и в высокоглноземистых гнейсах, в которых К_а = 1,04-1,23. В газонасыщенных метаморфических породах (кианит – гранат – биотитовых сланцах) коэффициент анизотропии К_а =1,12-1,82.