12.4. Плотность горных пород

Гравитационные аномалии, как отмечалось выше, возникают только в том случае, если горные породы, слагающие земную кору, различаются по плотности и границы между ними не гори­зонтальны. Дифференциация пород разреза по значениям плот­ности определяет возможность применения и эффективность гравиразведки: чем больше различаются по плотности породы, слагающие целевой объект и вмещающие его породы, тем больше гравитационная аномалия, создаваемая этим объектом. Разность плотностей вмещающих пород и пород объекта, создающего ано­малию, называется избыточной плотностью.

В гравиразведке приходится рассматривать объемную плотность горных пород, которая определяется как отношение массы т горной породы к ее объему Ω:

(12.29)

В общем случае горные породы - гетерогенные среды, состоя­щие из веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах. Плот­ность горной породы определяется отношением массы вещества всех трех компонент, слагающих породу в условиях естественно­го залегания (т.е. при естественных давлении, температуре, влажности и т.п.), к ее объему. Объемная плотность пород за­висит от плотности зерен, слагающих скелет , плотности флюида , коэффициента пористости и вычисляется по сле­дующей формуле:

(12.30)

Магматические и метаморфические породы имеют малую по­ристость (1-2 %), и их плотность определяется в основном ми­нералогическим составом; плотность метаморфических горных пород зависит от вида и степени процессов метаморфизма. Оса­дочные породы, как правило, характеризуются большим диапа­зоном изменения пористости (за исключением гидрохимических осадков), и поэтому плотность одних и тех же их разностей изменяется в широких пределах. В табл. 12.1 приведены сведе­ния о плотности магматических, метаморфических и осадочных пород.

Плотность магматических пород увеличивается от кислых по­род к основным. У метаморфических пород плотность определя­ется исходным материалом, а также степенью метаморфизма. Диапазон изменения плотности осадочных пород достаточно ши­рок. Поэтому значения плотности, приведенные в табл. 12.1, ори­ентировочны. Как правило, плотность одинаковых по литологии осадочных пород возрастает с увеличением глубины их залегания.

Средние плотности, находящихся в породах минерализо­ванных вод 1,05 г/см³, нефти 0,8 г/см³, углеводородных газов г/см³.

Таблица 12.1

Плотность некоторых веществ, горных пород, минералов и оболочек Земли

Вещество, порода, минерал	, г/см3	Вещество, порода, минерал	, г/см3
Кварциты железистые Перидотиты Базальты Диабазы Сиениты Диориты Гнейсы Граниты Мрамор Известняки, доломиты	3,2-4,3 2,8-3,6 2,7-3,3 2,7-3,3 2,6-2,9 2,7-2,9 2,6-3,2 2,5-3,0 2,4-3,0 2,4-2,8	Песчаники Мергели Глинистые сланцы Глины, аргиллиты Мел Пески, алевролиты Соль Почва Средняя плотность земной коры Средняя плотность Земли	2,2-2,7 2,1-2,6 2,1-2,7 2,0-2,4 2,1-2,3 2,0-2,4 2,1-2,3 1,5-2,0 2,67 5,52

Наиболее достоверные значения плотности можно получить только при ее измерении в условиях естественного залегания пород. Чаще всего плотность определяют по извлечённым на поверхность образцам горных пород, но при этом необходимо вводить поправки, приводящие значения плотности к естественным физическим условиям (давлению, влажности, температуре и т.п.), в которых залегают горные породы.

Если известны плотности пород в толще, состоящей из п сло­ев, то в качестве общей плотности толщи принимают средне­взвешенное по мощности значение:

(12.31)

где , и - значения плотности и мощности i-го слоя.

Плотность горных пород можно также определить и по результатам измерения гравитационного поля, создаваемого массами в известном объеме. Однако при таких определениях трудно учесть влияние масс, находящихся за пределами известного нам объема. Поэтому плотности пород, определенные по данным гравиразведки, иногда называют кажущимися.

Если плотность того или иного комплекса горных пород определена во многих точках площади исследования, то составляют карту равных значений плотности (карта изоплотностей). Такая карта дает сведения об изменении плотности одного и того же комплекса пород в горизонтальном направлении и в дальнейшем ее используют при интерпретации данных гравиразведки. Составляют также вертикальные плотностные разрезы, на которых изображают границы раздела сред с различными плотностями (гравиметрическая модель разреза).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой физический смысл имеет понятие «сила тяжести»?

2. Где меньше сила тяжести, на полюсах или экваторе, и почему?

3. В каких единицах измеряется сила тяжести?

4. Запишите выражения для проекций силы тяжести на координатные оси.

5. Что такое уровенная (эквипотенциальная) поверхность и как направлен вектор силы притяжения относительно этой поверхности?

6. Как связан гравитационный потенциал с силой тяжести?

7. Какие вторые производные потенциала силы тяжести Вы знаете, и для чего они используются?

8. Что понимается под истинной фигурой Земли в гравиразведке?