4. Пористость пород
Общая пористость пород Р количественно выражается через объем всех пор VП в долях единицы (часто в процентах) от общего объема породы (V0 + VП ).
Отношение объема пор к объему минерального скелета V0 породы называется коэффициентом пористости kп
, следовательно
Поры в горных породах по происхождению делятся на первичные, формирующиеся при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате различных процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т. п.
Поры по величине подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк) и сверхкапиллярные (более 100 мк). Принято выделять и рассматривать отдельно такие пустоты в породах, как трещины и каверны.
По форме поры могут быть самого различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т. п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму порового пространства породы.
Часто поры могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открытой (эффективной) пористостью. При этом Рэф < Р.
Пористость горных пород изменяется в значительных пределах — от долей процента до 90%. Высокой пористостью обладают осадочные породы, а магматические породы имеют незначительную пористость. Исключение составляют изверженные разности пород, такие, как туфолавы, трахит (Р = 55 - 60%). Выветрившиеся магматические породы также имеют высокую пористость.
Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагающих породу, от степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности.
Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с окатанными зернами, наибольшей - с угловатыми плоскими зернами. На величину пористости существенно влияет взаимное расположение зерен.
У равномернозернистых пород пористость больше, чем у неравномернозернистых, поскольку промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими частицами; пористость сцементированных пород тем меньше, чем больше цементирующего материала заполняет промежутки между частицами и чем плотнее сам цемент.
Пористость снижается с увеличением глубины залегания, так как в результате давления происходит уплотнение горных пород.
5. Плотность пород
Масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) породы называется плотностью породы δ0.
Плотность минералов зависит от их химического состава и структуры. Они делятся на тяжелые (δ0 > 4 г/см3), средние (δ0= 4 - 2,5 г/см3) и легкие (δ0 < 2,5 г/см3); 13% всех минералов относятся к легким, 33,8% — к тяжелым, 53,2% — к средним.
Плотность горных пород определяется плотностью слагающих минералов δ0i и может быть рассчитана по формуле
где n - число минералов, слагающих породу; Vi — доля объема, занимаемого каждым минералом.
Масса единицы объема породы в ее естественном состоянии отличается от массы той же единицы объема, заполненного только твердой фазой породы; такое отличие обусловлено в первую очередь пористостью породы.
Поэтому в горном деле наряду с плотностью широко пользуются понятием объемной плотности δ. Объемной плотностью называется масса единицы объема породы при данной пористости в ее естественном состоянии. Плотность пород всегда больше их объемной плотности.
Связь между объемной плотностью и плотностью выражается через пористость:
δ = δ0(1 - Р); δ0 = δ(1 + kп ),
где Р — пористость в долях единицы.
Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, ее объемная плотность в основном зависит от пористости7.
Объемная плотность малопористых пород в основном зависит от их минерального состава8.
Объемная плотность большинства пород колеблется от 1,5 до 3,5 г/см3. Большой объемной плотностью обладают рудные полезные ископаемые, так как в их состав в значительном количестве входят тяжелые рудные минералы (гематит, магнезит, сидерит, киноварь).
Низкую объемную плотность имеют гидрохимические осадки — гипс (объемная плотность 2,3 г/см3), каменная соль (2,1 г/см3). Весьма низкими значениями объемной плотности (0,72—2,0 г/см3) обладают каменные угли и торф. Объемная плотность углей определяется их пористостью, содержанием углерода и наличием минеральных примесей. Так как углерод имеет плотность 2,3 г/см3, увеличение степени углефикации приводит к росту объемной плотности углей. Этому способствует также тот фактор, что при переходе к более метаморфизованным углям (бурые угли — газовые угли — антрацит) наблюдается снижение пористости.
Повышенные значения объемной плотности углей одной степени метаморфизации указывают на увеличение в углях минеральных примесей и зольности, поскольку примеси имеют большие значения плотности, чем углерод.
Вес единицы объема твердой фазы породы называется удельным весом γ0 породы, а вес единицы объема породы в естественном состоянии — объемным весом γ. Удельный вес породы и ее плотность связаны соотношением
γ0 =g δ0
где g — ускорение силы тяжести.
Рис. 3. Изменение плотности магматических пород в зависимости от минерального состава
На практике иногда пользуются коэффициентом плотности kпл — отношением объемного веса пород к удельному весу (или отношением соответствующих плотностей), характеризующим степень заполнения объема горной породы минеральным веществом:
