33. Влияние внешних полей на электромагнитные свойства пород.

То же самое, что и вопрос 31. В учебнике это неотделимый параграф.

34. Радиоактивность горных пород и минералов. Поглощение излучения.

Естественная радиоактивность пород обусловлена наличием в их составе либо минералов, содержащих радиоактивные элементы (уран U, торий Th, радий Ra), либо радиоактивных изотопов калия (К⁴⁰), кальция, рубидия, циркония, олова, теллура, вольфрама, кобальта, рения и висмута.

Кроме того, ряд минералов обладает способностью адсорбировать из окружающей среды радиоактивные элементы и изотопы, вследствие чего наличие таких минералов в породах также повышает их радиоактивность. Так, повышенной радиоактивностью среди осадочных пород в результате сорбции элементов обладают глина и глинистые сланцы. Поэтому присутствие глин в осадочных породах (например, в мергелях) увеличивает их радиоактивность.

Как известно, при радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение а- и [3-частиц и -ᵧ-лучей. ᵧ -лучи — это очень короткие электромагнитные волны с длиной менее 1 Å (10~¹0 м), они характеризуются массой и энергией кванта.

^{Энергия • ᵧ ~кванто}в может колебаться от 0,08-Ю-13 до 4,8 • 10^-13 Дж в зависимости от длины волны. Так, энергия у-квантов радиоактивного изотопа кобальта Со⁶⁰ составляет 1,8 • 10^-13 - 2.1•10^-13 Дж.

Проникающая способность у-лучей наибольшая. Пучок ᵧ -квантов радиоактивного кобальта ослабляется в 2 раза лишь слоем свинца толщиной 1,6 см или алюминия толщиной 12 см. Скорость их распространения мало отличается от скорости света (не более 10~2 %).

Величина радиоактивности горных пород оценивается параметром удельной радиоактивности R — количеством распадающихся в 1 с атомов в 1 кг вещества. Так, удельная радиоактивность радия составляет 3,7 • 10¹³ с^-1• кг^-1

Рассеяние и поглощение радиоактивного излучения и потока нейтронов в горных породах оцениваются коэффициентами поглощения и сечениями рассеяния и захвата.

Проходя через вещество, у-лучи теряют энергию вследствие поглощения и рассеяния.

Поглощение у-кванта происходит в результате того, что у-квант вырывает электрон из электронной оболочки атома, передавая ему всю свою энергию (фотоэлектрический эффект).

Рассеяние — это передача ᵧ ~^квантом электрону атома только части своей энергии (Комптон-эффект). В результате уменьшается энергия кванта, меняется направление его движения.

Полный коэффициент поглощения ᵧ -лучей равен сумме коэффициентов собственно поглощения и рассеяния. Чем больше плотность породы, тем сильнее поглощение ᵧ -лучей.

35. Рыхлые горные породы и их физические свойства.

Рыхлые и разрушенные породы описываются особыми характеристиками строения. К ним относятся:

— параметры дисперсности: средний диаметр частиц разрыхленной породы; гранулометрический состав; удельная поверхность;

— характеристики формы частиц рыхлого материала: соотношение линейных размеров куска; угловое распределение;

— параметры укладки, среди которых основной — коэффициент разрыхления.

Средний диаметр частиц d_cр характеризует среднюю крупность горной массы.

Иногда пользуются понятием дисперсности D — мерой раздробленности рыхлых пород, равной величине, обратной среднему размеру частиц грунта.

Значительно полнее горную массу характеризуют сведения о распределении частиц каждого диаметра в горной массе.

Измеренный количественно выход (по массе, объему или числу зерен) отдельных классов крупности, выраженный в процентах к общей массе, объему или числу, называется гранулометрическим составом породы.

Гранулометрический состав породы изображают в виде кривой на графике, где по оси абсцисс откладывают диаметры частиц d, а по/оси ординат — суммарное содержание (количество, объем или массу) частиц с диаметром, меньшим или равным данному.

В связи с тем, что разрыхленные горные породы имеют особое строение, практически все их физические параметры отличаются от параметров твердых кусков пород, из которых состоит горная масса.

Однако кроме количественных изменений параметров наблюдается также изменение сущности некоторых известных характеристик пород. В ряде случаев используют новые, присущие только рыхлым породам физико-технические параметры.

Так, из-за разрыхления пород показатель объемной массы для рыхлой породы оказывается неприменимым. Вместо него пользуются показателем насыпной плотности рн.

Насыпная плотность рн — это масса единицы объема рыхлой горной породы в ее насыпном состоянии:

Липкость — способность грунтов и разрыхленных пород при определенном содержании влаги прилипать к поверхности инструмента и оборудования. Сущность прилипания заключается в том, что при определенной влажности толщина пленок воды, обволакивающих частицы грунта, становится такой, что они с одинаковой силой взаимодействуют как с минеральными частицами, так и с поверхностью соприкасающихся с ними предметов. Наибольшая липкость соответствует влажности грунта вблизи молекулярной влагоемкости. Увеличение толщины пленки при дальнейшем насыщении породы водой приводит к резкому уменьшению липкости. Липкость оценивается напряжениями, требуемыми для отрыва прилипшего тела от грунта. Липкость грунтов изменяется в пределах (0,2—5)-10⁴ Па. Она зависит не только от свойств грунта, но и от материала и характера поверхности контактирующего тела.

В некоторых породах, содержащих в основном физически связанную воду, при сотрясении происходит преобразование последней в свободную. Это явление носит название тиксотропии. По окончании механического воздействия появившаяся свободная вода трансформируется в физически связанную и восстанавливает структуру грунта.

Целый ряд физико-технических параметров рыхлых пород обусловлен особым состоянием дисперсных частиц.

Как известно, поверхностные слои твердых частиц характеризуются значениями свободной и полной энергии, химическим потенциалом и энтропией.

36. Принципы направленного изменения физических свойств горных пород. Изменчивость механических свойств.

Петрофизика (физика горных пород) — дисциплина естествознания, в которой изучают закономерности изменения физических свойств горных пород и связи между этими свойствами. Физические свойства горных пород — это их способность взаимодействовать с естественными физическими полями Земли (гравитационным, магнитным, тепловым) или с искусственно созданными физическими полями (волновым, радиоактивным, полем давлений флюидов, оптическим и другими), создаваемыми в горных породах. Породы могут быть однофазными и многофазными. Физические свойства однородных и однофазных горных пород и минералов в значительной мере обусловлены строением атомов химических элементов их слагающих.  Физические свойства гетерогенных и многофазных горных пород (например, обломочных, глинистых и карбонатных), помимо свойств атомов, в значительной мере определяются степенью неоднородности пород, которая может быть охарактеризована емкостными, капиллярными и газо-, гидродинамическими свойствами. Именно неоднородность физических свойств лежит в основе использования геофизических методов для дистанционного изучения строения литосферы, слагающих ее горных пород и выявление в них полезных ископаемых. Каковы место и роль петрофизики при геофизических исследованиях? Технологический цикл любого геофизического исследования состоит из трех этапов:

1. измерения параметров физического поля в неоднородной среде;

2. геофизической интерпретации результатов этих измерений с целью определения физических свойств и построения вероятной геометрии физической модели изучаемой среды (в основе которой лежат методы и результаты решения прямых геофизических задач);

3. геологической интерпретации физической модели и построения физико-геологической модели изучаемой среды.

Основой для геологической интерпретации геофизических данных служат петрофизические связи, позволяющие перейти от неоднородностей, обусловленных физическими свойствами среды, к непосредственно геологическим объектам и их литологическим свойствам. Построение надежной физико-геологической модели требует использования комплексных геофизических исследований и привлечения первоначальной геологической информации. И то и другое нуждается в подтверждении обоснованными петрофизическими связями. От этого зависит конечный итог геофизических исследований — уровень понимания геологического строения региона, надежность поисков месторождений полезных ископаемых, промышленная оценка запасов этих ископаемых. В петрофизике горную породу представляют в общем случае как гетерогенную многокомпонентную многофазную термодинамическую систему. Фазовая неоднородность предполагает наличие границ раздела между обособленными объемами занимаемыми каждой фазой в породе (твердая, жидкая , газообразная). Примером фазовой неоднородности может служить водоносный неглинистый коллектор, в котором твердая фаза минерального скелета и свободная вода в порах занимают обособленные объемы, разделенные поверхностью с малой площадью. С появлением глинистой компоненты в минеральном скелете возрастает площадь поверхности раздела. Компонентную неоднородность породы характеризуют составом твердой, жидкой и газообразной фаз. Ее можно проиллюстрировать на следующих примерах: доломитизированный известняк имеет в составе твердой фазы два минерала— доломит и кальцит; нефтеводоносный коллектор содержит в составе жидкой фазы нефть и свободную воду. Структурно-текстурноя неоднородность предполагает наличие двух или более различных пород, чередующихся в объеме изучаемого геологического объекта. Примерами текстурной неоднородности являются разновидности глинистого песчаника, содержащие глинистый материал, распределенный по объему в виде прослоев Масштабы неоднородности зависят от ее природы и образуют различные уровни. Например, находясь на уровне пор и скелетных зерен, мы уделяем основное внимание исследованию геометрии пор и минерального скелета породы. Уровни неоднородности более высокого порядка исследуют обычно комплексом геофизических методов в разрезах скважин. Таким образом, исследуя неоднородности разного уровня и разными методами мы получаем необходимую нам петрофизическую информацию.