3. Фізико-механічні властивості гірських порід

Родовища корисних копалин формуються завдяки рудоносним розчинам різного генезису в твердому середовищі гірських порід. Гірські породи мають різні властивості і певною мірою впливають на рудовідкладання. Тому важливо знати і вивчати властивості порід по відношенню до деформацій, метаморфізму і рудовідкладанню.

В залежності від умов утворення і наступного геологічного розвитку гірські породи приймають певний комплекс фізичних і механічних властивостей, які відображають їх структуру, склад, а також характер епігенетичних перетворень і тектонічних напружень, яких вони зазнали. Властивості гірських порід еволюціонують впродовж геологічного часу під дією різних чинників структуроутворення, метаморфізму, метасоматозу. Міняються не тільки властивості, але й речовинний склад. Все це необхідно враховувати під час вивчення впливу вмісних порід на структурний вигляд рудних полів.

Головними властивостями вмісних гірських порід, які визначають локалізацію ендогенних родовищ є: 1) здатність порід до деформації; 2) фільтраційні властивості (проникність, пористість); 3) петрографічні особливості і хімічні властивості, які впливають на рудовідкладання.

Головними фізико-механічними властивостями є фізична анізотропія, пластичність і крихкість.

Фізична анізотропія – це різні значення фізичних властивостей порід і мінералів в різних напрямках. Анізотропія гірських порід визначається розташуванням мінералів і мінеральних агрегатів (сланцюватість, шаруватість, флюїдальність, смугастість); анізотропія мінералів обумовлена особливостями їх кристалічної решітки. Наприклад, кварц переважно менш анізотропний, чим польові шпати; найбільш анізотропними є слюди і хлорити. Приклад графіту.

Із збільшенням анізотропії магматичні і метаморфічні породи утворюють такий ряд: 1) масивні магматичні породи без видимої орієнтації мінералів; 2) магматичні породи з макроскопічно замітною лінійної і площинною орієнтацією кристалів; 3) мілонітизовані інтрузивні породи, гнейси, ефузиви з флюїдальною текстурою; 4) кристалічні сланці, розсланцьовані ефузиви і пірокластичні породи; 5) біотитові, серицитові, хлоритові та інші сланці.

Для визначення ступеня фізичної анізотропії порід проводиться вивчення їх міцності на стиснення, розтягнення, згин, кручення. За міру анізотропії беруть відношення різниці двох вказаних міцностей до величини міцності на стиск по шаруватості вираженої в відсотках.

Порівняння порід за ступенем фізичної анізотропії дає змогу зрозуміти характер їх деформованості і пояснити закономірності локалізації рудних тіл. Фізично ізотропні породи – тоді утворюються системи тріщин сколу і відриву, які потім можуть вміщувати рудні тіла жильної морфології. Фізично анізотропні – системи тріщин сколу і відриву, пластові і міжпластові розриви і потім згідні зі сланцюватістю чи шаруватістю рудні поклади.

Пластичність і крихкість визначається властивостями і кількісними співвідношеннями породоутворювальних мінералів. Зниження крихкості і підвищення пластичності мінералів відбувається в ряду: 1) кварц 2) польові шпати 3) амфіболи, піроксени, олівін 4) біотит, мусковіт, серицит, карбонати 5) хлорит, тальк, каолініт.

Про властивість гірських порід до крихких деформацій можна судити по їх пружних властивостях. Пружні властивості порід харакетризуються модулем Юнга, модулем зсуву, коефіціентом Пуасона і коефіціентом всестороннього стиснення. Пластичність зростає від кислих до основних.

Модуль Юнга – коефіціент пропорціональності між діючими ізольовано розтягуючими (чи стискаючими) напруженнями і відповідним їм деформаціями.

Коефіціент Пуасона – це коефіціент пропорціональності між деформаціями в поздовжньому і поперечному напрямах за одностороннього стиснення (чи розтягнення).

Модуль зсуву встановлює пропорційність між дотичними напруженнями і відповідною деформацією.

Модуль всестороннього стиснення визначає пропорційність відносно обємного розширення (чи стиснення) взірця за умов рівноваги нормальних напружень (умови виконуються під час всестороннього гідростатичного стиснення взірця).

Приклад, родовище Каджаран складено гранодіоритами, монцонітами і березитами по монцонітах. Зруденіння локалізується в березитах з меншим значенням модуля Юнга і відносно високим коефіціентом Пуасона.

Показники пружності і пластичності деяких типів порід

Породи	Модуль Юнга (Е*10-4)	Коефіціент Пуасона
Гранодіорити Монцоніти незмінені Березити по монцонітах	5,92 5,83 3,60	0,21 0,16 0,21

Класифікація порід за крихкістю і пластичністю

1. Досить крихкі породи – щільні, масивні, сприятливі для утворення тріщин (більше 50 тріщин на 1 м) (кварцити, ефузиви).

2. Крихкі породи – слабошаруваті з підвищеною питомою тріщинуватістю (10-50 тріщин на 1 м), широкі складки (пісковики, кременисті сланці, інтрузивні породи).

3. Слабопластичні – ясношаруваті, слаботріщинуваті породи, важко піддаються розривам, складки відносно невеликих радіусів (менше 10 тріщин на 1 м) (алевроліти, тонкошаруваті вапняки, глинисті пісковики).

4. Пластичні – з підвищеним ступенем шаруватості, можуть утворювати складки з малим радіусом без розривів (більше 50 шарів на 1 м) (глинисто-кремнисті, кварц-серицитові сланці, деякі різновиди вапняку).

5. Досить пластичні – з найвищою ступінью шаруватості і сланцюватістю, можуть зминатися в дрібні складки без тріщин (глинисті сланці, хлоритові сланці, глини).

Важлива роль належить структурі порід і розміру мінеральних зерен, що їх складають. В щільних, тонкозернистих і склуватих породах в результаті деформації утворюються лише тріщини. Крупнозернисті породи легко піддаються між- і внутрізерновим деформаціям. В’язкість і пластичність сланців обумовлені перш за все структурою цих порід.

Текстура порід дуже впливає на їхню крихкість, пластичність. Смугасті текстури підвищують пластичність і знижують крихкість порід.

Щільність гірських порід визначається щільністю їх мінеральної частини, отже, мінеральним складом, пористістю і вологістю.

На зміну щільності порід впливає і їхній вік, тобто тривалість перетворення під впливом процесів літифікації. Наприклад, метаморфічні сланці й кварцити палеозою Південного Сахаліну характеризуються середньою щільністю 2,55-2,85 г/см3, піщано-глинисті відклади мезозою того ж району мають щільність 2,20-2,60 г/см3, а такі ж відклади палеогену й неогену – 2,00-2,50 г/см3.

Проникність гірських порід тобто властивість їх пропускати гідротермальні розчини, визначається головно ефективною пористістю і тріщинуватістю. На проникність впливають також тиск і глибина, температура, агрегатний стан розчинів, їх склад та ін. Найголовнішими фізичними властивостями гірських порід є щільність (густина) і пористість, а у рихлих і вологість.

Пористість це відношення у відсотках суми об’ємів пор гірської породи до всього об’єму породи.

Важливо зазначити, що пористість у гірських породах розподілена більш-менш рівномірно, тобто в кожній точці ділянки, зони, шару або товщі вони обов’язково наділені тією чи іншою пористістю, тоді як інші види пустот – тріщини й каверни – розподілені нерівномірно: в одному місці вони можуть бути, в іншому відсутні.

Породи	Пористість, %
Граніти і гнейси	0,02-0,56
Глинисті сланці	0,49-7,55
Пісковики	3,5-28,3
Вапняки і доломіти	0,53-45,4
Пірокластичні породи	Десятки відсотків
Кавернозні карбонатні породи	Десятки відсотків

Зі збільшенням пористості порід знижуються їхня міцність і стійкість, підвищуються вологоємність і здатність до деформацій. Пустоти великих розмірів зазвичай завжди порушують масивність, монолітність порід, а тріщини обумовлюють розчленування їх на окремості різних розмірів і форми.

Щільність гірських порід визначається щільністю їх мінеральної частини, отже, мінеральним складом, пористістю і вологістю.

На зміну щільності порід впливає і їхній вік, тобто тривалість перетворення під впливом процесів літифікації. Наприклад, метаморфічні сланці й кварцити палеозою Південного Сахаліну характеризуються середньою щільністю 2,55-2,85 г/см3, піщано-глинисті відклади мезозою того ж району мають щільність 2,20-2,60 г/см3, а такі ж відклади палеогену й неогену – 2,00-2,50 г/см3.

Фільтраційні властивості гірських порід

Ці властивості визначають можливості переміщення рудоносних розчинів, шляхи їх міграції і умови відкладання рудної речовини. Вони визначаються проникністю розрізу порід.

Проникність – це зданість гірських порід пропускати через себе різні розчини (газові, рідкі). Проникність порід підкоряється закону Дарсі, який виражається формулою

де Q – об’єм розчину, см³, К – коефіціент проникності Дарсі, F – переріз, см², t – час, (с), (Р₂-Р₁) – перепад тиску, атм, 1 – довжина шляху (см), η– вязкість рідини.

Від коефіціенту проникності можна перейти до коефіціенту фільтрації, який показує швидкість просочування, см/с.

де v – питома вага рідини, що фільтрується, η – її вязкість

За величиною коефіціента проникності гірські породи поділяють на 5 груп: 1) дуже добре проникні – вище 1,0 Д; 2) добре проникні – 0,1 – 1 Д; 3) середня проникність – 0,01–0,1 Д; 4) слабопроникні – 0,001–0,01; 5) непроникні – менше 1мД.

За величиною коефіціента фільтрації виділяють: 1) сильнофільтруючі – більше 10^-3 см/с; 2) фільтруючі – 10^-5–10^-3 см/с; 3) слабофільтруючі – 10^-8–10^-5 см/с; 4) нефільтруючі – 10^-8 см/с.

Головними чинниками, які визначають проникність порід, є пористість і тріщинуватість. Пористість – відношення суми об’ємів пор гірської породи до всього об’єму породи (%). Розрізняють загальну, відкриту, ефективну і диференційовану (пори різного розміру) пористість. Загальна пористість визначається сумою відкритих і закритих пор. Ефективна пористість – частина відкритої пористості по якій за певних умов відбувається циркуляція рідин і газів. За розміром розрізняють пори надкапілярні (більше 0,5 мм), капілярні (0,5–0,0002 мм), субкапілярні (менше 0,0002 мм). Рух розчинів: в надкапілярних – вільний гідростатичний рух в турболентній формі, в капілярних – ламінарна форма, в субкапілярних – шляхом дифузії.

За величиною загальної пористості: 1) досить низька (менше 1%) – щільні глинисті і карбонатні породи чи щільні свіжі кристалічні сланці; 2) низька (1–3%) – магматичні породи, щільні пісковики, вапняки; 3) підвищена пористість (3–10%) – слабо метаморфізовані пісковики, конгломерати, сильно змінені магматичні породи, туфи; 4) висока пористість (більше 10%) – рихлі слабозцементовані пісковики, конгломерати, туфи, вапняки, сильно звітрілі інтрузивні породи.

Не менш важливу роль в проникності порід відіграє тріщинуватість, особливо дрібна.

Рух потоку рудоносних флюїдів визначається в одних випадках розломами, в інших складками, ще проникністю порід.

Дрібна тріщинуватість

Тріщиною називається крихкий мікро- або мезорозрив, за яким відбувається втрата суцільності (деструкція) геологічного тіла. Серед таких розривів виділяють тріщини відриву та сколювання.

Перші утворюються по площинах найбільших нормальних напружень, а другі – по площинах максимальних дотичних напружень, орієнтованих у природних умовах під кутами 30–40° (теоретично 45°) до напрямку сил.

Крім того, виділяють ще тріщини розтягу (як підтип тріщин відриву), що утворюються в пухких чи наближених до них породах, які мають міцність на відрив на один або декілька порядків менше, ніж на стиснення. Під час вивчення родовищ необхідно мати на увазі, що на багатьох із них проявилися процеси гідротермальних змін гірських порід. У зв’язку з чим фізико-механічні властивості порід значно змінилися, а це впливає на подальшу локалізацію зруденіння.

Петрографічний склад і хімічні властивості рудовміщуючих порід

Вони впливають на фізико-хімічну ситуацію рудовідкладання і сприяють або перешкоджають активному утворенню рудних мінералів. Відомі факти про визначальну роль середовища на локалізацію рудних тіл і родовищ, що обумовлено властивостями і складом гірських порід.

Активним осаджувачем у вмісних породах є органічна речовина у вигляді перероблених в різній мірі органічних залишків, сірка, залізо, а також деякі мінерали – пірит, халькопірит, арсенопірит та ін. Органіка створює відновлювальне середовище, сприятливе для осадження сульфідів, окисів, самородних металів. Наприклад, золоторудне родовище Бодайбо (Сх.Сибір), тут встановлено, що к-сть золота прямо пропорційна вмісту органічної речовини, яка є в чорних сланцях. Тут також є підвищені вмісти платини, рідкоземельних і інших елементів. Теж саме встановлено на низці родовищ Єнісейського Кряжу і на інших родовищах золото-чорносланцевої формації. Особливо добре ця приуроченість спостерігається на родовищах урану як екзогенного так і ендогенного гідротермального генезису. Тут під час рудовідкладання відбувається відновлення урану шестивалентного до чотирьохвалентного, який осаджується у вигляді уранової смолки і інших мінералів. Наприклад, уранова мінералізація в мезозойських западинах Забайкалля, серед грубоуламкових товщ, які вміщують змінені органічні залишки.

Значну роль в рудолокалізації відіграє хімічний склад вмісних порід, а точніше гетерогенність цього складу в рудовмісній товщі. Ця гетерогенність виражається в перешаруванні більш і менш хімічно активних порід, наприклад вапняків, сланців і пісковиків. Так, в Сх.Забайкаллі і Пвн.Монголії свинцево-цинкові родовища приурочені до вапняків, що утворюють великі поля чи останці серед гранітоїдів або піщано-глинистих товщ (Благодатське, Кадаїнське та ін. родовища). Подібна закономірність є і для поліметалевих родовищ Середньої Азії. Під час утворення цих родовищ рудоносні розчини реагують з вапняками, відбувається зміна pH і як наслідок, випадання рудних компонентів.

У багатьох випадках великий вплив на процеси рудовідкладання мають передрудні зміни складу вмісних порід. Особливо для скарнових родовищ (Турїнський мідний рудник, багаті халькопіритові руди утворюються по піроксенових скарнах).