69

§ 1. Плотность горных пород.

Гравитационные аномалии создаются, если горные породы, слагающие район исследований, различаются по плот­ности и границы пород с различной плотностью не являются горизонтальными. Различие в плотности горных пород является основной пред­посылкой применения гравитационного метода для геоло­гических исследований, поисков и разведки полезных ископаемых.

Разность плотности вмещающих пород и плотности тела, созда­ющего гравитационную аномалию, называется избыточной или эффек­тивной плотностью тела (∆σ = σ_вм – σ_т).

Сведения о плотности горных пород исследуемого района необхо­димы для правильного обоснования и проведения гравиразведочных работ, так как они позволяют оценить порядок ожидаемых аномалий, выбрать рациональную сеть наблюдений. Особо важно знать плотность горных пород при геологическом истолковании гравита­ционных аномалий.

Плотностью σ однородного вещества называется отношение массы m вещества к объему V:

σ = . (1)

Горные породы в общем случае являются телами неоднородными и состоят из вещества в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной.

Плотностью горной породы называется отношение массы вещества всех фаз, в которых находится порода в условиях естественного зале­гания, к объему, занимаемому веществом этих фаз, и определяется по формуле:

σ = = , (2)

где m₁, m₂, m₃ и V_l, V₂, V₃ - соответственно массы и объемы вещества твердой, жидкой и газообразной фаз, а m и V - суммарная масса и объем всех фаз горной породы.

Отношение массы вещества твердой фазы m₁ к объему V вещества всех фаз называется объемной плотностью:

σ_V = . (3)

Отношение массы вещества твердой фазы к объему вещества твердой фазы называется минералогической плотностью:

σ_мин = . (4)

Объемное содержание в породе вещества, находящегося в жидкой и газообразной фазах, характеризует пористость горной породы. Коэффициентом пористости (пористостью) горной породы называется отношение объема пор ко всему объему породы:

k_п = = . (5)

Обычно k_п выражают в процентах или долях единицы.

Если известна минералогическая плотность и пористость, то можно определить объемную плотность породы по формуле:

σ_V = = = σ_мин(1 - k_п). (6)

Влажность горной породы характеризуется объемом или массой воды, заключенной в порах породы. Отношение массы воды в породе к массе вещества твердой фазы называется массовым коэффициентом влажности:

w_m = . (7)

Объемным коэффициентом влажности называется отношение объ­ема воды к объему вещества твердой фазы:

w_V = . (8)

Для гравиразведочных целей необходимо знать плотность пород в их естественном залегании, т. е. в условиях естественной влажности. Если пористость пород мала, что характерно, например, для изверженных и метаморфических пород, то можно без боль­шой погрешности полагать, что σ = σ_V.

Высокой пористостью пород пренебрегать нельзя. В этом случае

σ = σ_V + = + . (9)

Плотность горных пород зависит от химического, минералогического состава, пористости и влажности пород, которые обусловлены как условиями первичного образования пород, так и условиями последующего существования горных пород. Большинство гео­логических процессов в той или иной степени влияют на состав и структуру минерального скелета породы, ее пористость и влаж­ность. В зависимости от типа пород различные факторы воздействуют на плотность пород не в одинаковой степени.

Для магматических и метаморфических пород характерна малая пористость (1 - 2%) и, как следствие, малая влажность. Поэтому плотность этих пород определяет их химико-минералогиче­ский состав.

Плотность основных породообразующих минералов

Таблица 1.

Минерал	Плотность, г/см3	Минерал	Плотность, г/см3
Ангидрит	2.9	Кальцит	2.6 – 2.8
Апатит	3.2	Каменная соль	2.1 – 2.3
Барит	4.5	Кварц	2.6 – 2.7
Биотит	2.8 – 3.2	Лабрадор	2.7
Гематит	5.1 - 5.2	Магнетит	4.9 – 5.2
Гипс	2.3	Микроклин	2.5 - 2.6
Гранат	3.2 – 4.3	Мусковит	2.8 – 3.1
Доломит	2.6 – 2.9	Оливин	3.0 – 4.4
Ильменит	4.5 – 5.0	Ортоклаз	2.5 – 2.6
Пирит	4.9 – 5.2	Серпентин	2.5 – 2.6
Пироксен	2.8 – 3.7	Хлорит	2.6 – 3.0

Плотность наиболее распространенных магматических и метаморфических пород.

Таблица 2.

Порода	Средняя плотность г/см3	Пределы изменения Плотности, г/см3
Граниты	2.6	2.4 – 2.7
Гранодиориты, кварцевые диориты	2.7	2.7 – 2.8
Диориты	2.8	2.7 – 2.9
Сиениты	2.8	2.6 – 2.9
Диабазы, габбро, габбро-диабазы	2.9	2.7 – 3.3
Базальты	3.0	2.6 – 3.3
Дуниты. Перидотиты, пироксениты	3.2	2.8 – 3.6
Кварциты	2.7	2.7 – 2.8
Мраморы, кристаллические известняки	2.7	2.3 – 3.0
Кварциты железистые	3.5	3.2 – 4.3
Гнейсы	2.7	2.6 – 3.2
Порфириты	2.8	2.7 – 2.9
Серпентиниты	2.6	2.4 – 3.0
Амфиболиты	2.9	2.7 – 3.2
Сланцы глинистые	2.3	2.0 – 2.8
Сланцы слюдистые	2.6	2.5 – 2.8
Сланцы роговообманковые	3.0	2.8 – 3.4

Плотность магматических пород определяется соотно­шением в них легких минералов (кварц, полевые шпаты, нефелин) и тяжелых железо-магнезиальных минералов (амфиболы, пироксены, оливин, слюда). Плотность магматических пород увеличи­вается с повышением их основности. Кроме состава на плотность пород оказывают существенное влияние структура породы и степень ее кри­сталличности. Плотность у пород с массивной кристаллической струк­турой больше, чем у пород того же состава, но аморфных.

У метаморфических пород, являющихся продуктами преобразова­ния магматических и осадочных пород, плотность определяется исход­ным материалом, а также воздействием процессов метаморфизма. При метаморфизме может происходить как увеличение плотности, так и ее уменьшение. Например, при повышении давления и связан­ной с ним перекристаллизацией в породе протекают реакции, приводящие к уменьшению объема, т.е. к увеличению плотности. Алмаз, являющийся полиморфной модификацией углерода и образующийся при высоких давлениях, имеет плотность 3,5 г/см³, в то время как более низкотемпературная модификация углерода графит имеет плот­ность 2,1 г/см³.

Примером уменьшения плотности пород при метаморфизме может служить процесс серпентинизации ультраосновных пород, сопрово­ждающийся привносом относительно легких компонентов (вода, кремнекислота). В этом случае оливин (σ = 4,1 - 4,4 г/см³) переходит в серпентинит (σ = 2,5 - 2,6 г/см³).

Гипергенные изменения пород в коре выветривания также сопровождаются уменьшением плотности, так как возникают новые минералы с относительно низкой плот­ностью.

В отличие от магматических и метаморфических пород осадочные породы имеют большую пористость, исключение составляют гидрохимические осадки. Поэтому плотность осадочных пород суще­ственно зависит от их пористости.

Пористость одной и той же осадочной породы меняется в широких пределах. Пористость пород, а также их плотность зависят от условий их образования и воздействия геологических факторов, которому породы подвергаются за весь период своего существования.

Пористость осадочных пород.

Таблица 3.

Порода	Пористость, %
Почва	23 - 69
Пески, алевролиты	2 - 42
Песчаники	2 - 55
Галечники	25 - 38
Аргиллиты	4 - 34
Мергели	2 - 31
Известняки. доломиты	2 - 40
Мел	17 - 43
Гидрохимические осадки (гипс. ангидрит, галит)_	0 - 5

Плотность осадочных пород.

Таблица 4.

Порода	Средняя плотность, г/см3	Пределы изменения плотности, г/см3
Почва	2.0	1.5 – 2.4
Глины, аргиллиты	2.3	1.6 – 2.8
Пески, алевролиты	2.1	2.0 – 2.4
Песчаники	2.3	2.1 – 2.8
Мергели	2.2	2.0 – 2.6
Известняки, доломиты	2.5	2.1 – 2.9
Мел	2.2	2.1 – 2.3

В условиях естественного залегания на породы давят вышележа­щие слои, что приводит к уменьшению пористости с глубиной. Этот процесс может сопровождаться частичной перекристаллизацией породы и увеличением ее плотности. Как правило, с глубиной ско­рость изменения пористости и плотности снижается.

Уменьшению пористости, и, следовательно, увеличению плотности способствует метаморфизм пород в процессе складкообразования. Итак, плот­ность одних и тех же осадочных пород в различных геологических условиях неодинакова. Диапазон изменения плотности осадочных пород очень широк

Плотность полезных ископаемых.

Таблица 5.

Полезные ископаемы	Средняя плотность, г/см3	Пределы изменения плотности, г/см3
	Рудные полезные ископаемые
Железные руды	4.0	3.7 – 4.3
Хромиты	4.0	3.3 – 4.4
Колчеданные руды, сплошные	4.5	3.5 – 5.5
Колчеданные руды, вкрапленные	-	3.0 – 4.6
Полиметаллические руды	4.0	3.2 – 5.5
Зона окисления колчеданных и полиметаллических руд	-	0.8 – 3.1
	Нерудные полезные ископаемые
Газ	-	0.001 – 0.002
Нефть	0.9	0.7 – 1.1
Уголь антрацит	-	1.4 – 1.5
Уголь каменный	-	1.3 – 1.4
Уголь бурый	-	0.8 – 1.2
Торф	0.7	-
Каменная соль	2.1	2.1 – 2.2
Корунд	3.6	3.0 – 4.0
Барит	4.0	-

Плотность пород обычно сопоставляется с другими физическими свой­ствами пород и выявляются определенные статистические связи между ними.

При постоянстве модулей упругости в породах скорость распространения упругих волн в большинстве случаев пропорциональна плотности, т. е. более плотные породы характеризуются повышенной скоростью упругих волн.

Общей закономерной связи плотности пород с магнитной восприимчивостью не наблюдается. Магнитная восприимчивость магматических по­род растет с повышением их плотности и основности. Между плот­ностью и магнитной восприимчивостью осадочных пород корреля­ционной связи не обнаружено.

При ионной проводимости и постоянной минерализации поровых вод для изверженных и осадочных пород наблюдается прямая зависи­мость удельного электрического сопротивления от плотности. Присут­ствие электронопроводящих минералов приводит к повышению плот­ности и к уменьшению удельного электрического сопротивления. С увеличением минерализации пластовых вод электрическое сопро­тивление снижается, плотность при этом может остаться неизменной.