2.4 Густина метаморфічних порід

При метаморфічних перетвореннях гірських порід, що пристосовуються до нових термодинамічних умов, відбувається зміна їхніх фізичних властивостей і насамперед густини як за рахунок структурних перебудов при ізохімічних процесах, так і внаслідок істотної зміни хімічного складу при метасоматичних перетвореннях. Метасоматично утворені породи часто виділяються в особливу групу - метасоматитів.

За загальним хімічним складом метаморфічні породи близькі до магматичних, але в окремих групах порід він менше постійний. Мінералогічний склад порід характеризується великою розмаїтістю. Це призводить до значних варіацій густини однойменних петрографічних груп порід; у ряді випадків характерні безперервні ряди з поступово мінливою густиною від вихідної до цілком зміненої породи.

Регіональний метаморфізм порід виникає внаслідок зміни температури і тиску в земній корі в межах значних площ; він проникає на велику глибину і виявляється при складчастих процесах. У залежності від температури і тиску, а також хімічного складу вихідних порід (осадових, інтрузивних, ефузивних) виникають асоціації мінералів, що утворюють породи певного складу, які об'єднуються у фації регіонального метаморфізму. Посилення ступеня метаморфізму порід супроводжується збільшенням густини.

При регресивному метаморфізмі і діафторезігустина порід зменшується. Якщо цим процесам супроводжує милонітизація, то кристалічні сланці, що утворюються, відрізняються різко зниженою густиною. Останнє зумовлено збільшенням пористості внаслідок мікротріщиноватості, що розвивається при милонітизації, і утворення низько-температурних мінералів, які характеризуються більш низькою густиною в порівнянні з високотемпературними мінералами гнейсів і амфиболітів.

Процеси ультраметаморфізма викликають найбільш глибокі зміни гірських порід, при яких відбувається перекристалізація, метасоматоз, селективне або повне розплавлювання. Всі ці перетворення супроводжуються розущільненим порід, що свідчить про їхнє пристосування до умов більш низьких тисків і про протікання процесу в умовах підвищених температур.

Процеси динамометаморфізму розвиваються уздовж тектонічних порушень, надвигів або скидання й особливо характерні для зон глибинних розломів. Зміна порід виникає внаслідок стресу (спрямованого тиску) і виявляється в їхній розсланцюванні і перекристалізації.

2.5 Густина і пористість осадових порід

Густина осадових порід залежить від густини мінералогічного скелета, пористості, зумовленою структурою і діагенезом порід, і густини рідкої або газової фази, що заповнює пори. Густина мінералів піщано-уламкових і глинистих порід складає 2,5-3,010³кг/м³, а карбонатних і гідрохімічних 1,9-3,010³кг/м³. Мінералогічна густина порід, тобто середня густина мінерального скелета, змінюється від 2,56 до 2,8810³кг/м³у піщано-уламкових і від 2,12 до 310³кг/м³у хімогених утвореннях.

Таблиця 2.5

Мінеральна густина (в кг/м³) основних типів

осадових порід

Порода	ср103	min-max103
Пісковик	2,67	2,58-2,76
Алевроліт	2,69	2,62-2,76
Глина	2,68	2,58-2,78
Аргіліт	2,68	2,60-2,78
Мергель	2,70	2,58-2,80
Вапняк	2,72	2,62-2,80
Крейда	2,69	2,56-2,80
Ангідрит	2,96	2,92-3,00
Гіпс	2,37	2,31-2,48
Сіль кам’яна	2,16	2,12-2,22
Опока	2,45	2,20-2,50
Доломіт	2,80	2,76-2,88
Кремінь	2,59	2,46-2,75

Розбіжність в мінералогічній густині порід складає приблизно 15%. Це розходження виявляється в загальній густині порід при низькій пористості і стає несуттєвим у випадку високої і різноманітної пористості порід.

Таблиця 2.6

Густина (в кг/м³) осадових гірських порід

Порода	Межі зміни густини103	Значення, що най-більш частіше зустрічаються103
Глинисті породи
Глина	1,2-2,4	-
Аргіліт	1,7-2,9	2,3-2,4
Глинистий сланець	2,3-3,0	2,4-2,6
Пісково-уламочні породи
Пісок	1,3-2,0	1,5-1,7
Алевроліт	1,8-2,8	2,3-2,5
Пісковик	2,0-2,9	2,5-2,6
Пісковий сланець	2,3-3,0	2,6-2,7
Брекчія	1,6-3,0	-
Конгломерат	2,1-3,0	-
Карбонатні, гідрохімічні, кремнієві породи
Мергель	1,5-2,8	2,2-2,4
Вапняк	1,8-2,9	2,6-2,7
Доломіт	1,9-3,0	2,6-2,8
Гіпс	2,1-2,5	2,4-2,5
Ангідрит	2,4-2,9	2,5-2,6
Сіль кам’яна	2,2-2,3	-
Опока	1,0-1,6	-
Кремінь	2,3-2,6	-

Розміри пор і форма їх залежать від розмірів і форми часток, що утворюють породу. При однаковому розмірі часток найбільшою пористістю володіють породи з кутастими і плоскими частками, найменшою - із скачаними зернами. Із зменшенням розмірів часток і зі збільшенням відсортованості пористість породи зростає. Пористість осадових уламкових порід змінюється від 60 до 40% у період їхніх утворень і від 40 до 2% у період їх основної геологічної історії. Пористість може змінюватися внаслідок ущільнення осадових порід, геостатичного і геотектонічного впливу, стресу або розтріскування при тектонічних процесах, а також у результаті вилуження або, навпаки, випадання мінеральних часток із розчинів у пустотах порід.

Густина осадових порід змінюється в межах 1,2-3,010³кг/м³, але більш часто в межах 1,5-2,810³кг/м³. На зміну густини піщано-глинистих порід в основному впливає ступінь їхнього діагенезу (катагенез і метагенез). Густина карбонатних порід у більшій мірі залежить від структури і ступеня тріщинуватості.

Співвідношення між густиною осадових порід і їхньою мінералогічною густиною при різноманітній постійній пористості n,а також між густиною і пористістю при постійній мінералогічній густині виражається рівняннями

_гn^; (2.26)

_внn^.(2.27)

У природному заляганні осадові породи, розташовані нижче рівня ґрунтових вод, характеризуються відносною вологістю =0,8-1,0. Волога, що насичує породи в природному заляганні, за винятком нафтонасичених порід, представлена водою різноманітної мінералізації з густиною 1,01-1,2010³кг/м³при температурі 20⁰С. Тому приблизно можна прийняти=1,_в=110³кг/м³. Розбіжність в густині газонасиченої та водонасиченої порід чисельно дорівнює пористості.

Для осадового покрову платформ спостерігається чотири стадії діагенезу: ранній діагенез, що перетворює осади в породи; ранній катагенез, що виражається в ущільненні і цементації порід; пізній катагенез, що призводить до утворення порід із сильно ущільненими текстурами; метадіагенез, при якому відбувається часткова зміна складу порід, що спостерігається при складчастих процесах.

Діагенез і катагенез порід відбуваються під дією зростаючого геостатичного тиску і виражаються в поступовому зменшенні пористості, збільшенні густини порід. Тому одновікові осадові утворення одного типу (але з різних глибин) можуть істотно різнитися за пористістю і густиною. Найбільше ущільнення відчувають глинисті породи, що володіють пластичними зв'язками, тому і більш пористі в початковому стані. При наявності в глинах піщаної фракції знижується мінералогічна густина породи і збільшується жорсткість внутрішніх зв'язків. Серед пісковиків найбільше інтенсивне ущільнення характерно для пісковиків із глинистим цементом. Пісковики з більш жорстким кварцовим чи карбонатним цементом ущільнюються значно менше. При наявності жорстких зв'язків між частинками , що породоутворюють, висока пористість пісковиків може зберігатися і на великих глибинах. Карбонатні породи в залежності від ступеня глинистості різняться за характером ущільнення.

Для осадових порід характерно зворотне компресійне ущільнення, інтенсивність якого сповільнюється в міру збільшення глибини залягання порід. Загальна закономірність зміни пористості і густини однотипних і одновікових порід із глибиною може бути виражена емпіричними експоненціальними рівняннями

(2.28)

де: n_max -крайнє значення пористості приН=0; Н – глибина залягання порід; - мінералогічна густина.

Вплив тектонічного режиму на діагенез осадових порід платформи і прогинів відбивається на характері зміни параметрів із глибиною в регіонах різної будови. Проте більш яскраво цей вплив фіксується за наявністю щільнісних меж (швидкісних і електричних), зумовлених стрибкоподібними змінами літологічного складу і пористості порід. Останнє визначається підйомом порід , що глибоко залягають, їхнім розмивом і накопиченням на них менш ущільнених осадів, тобто при наявності різних структурних поверхів.

У складчастих регіонах густина осадових порід характеризується різкими змінами - у залежності від ступеня діагенезу в окремих структурно-тектонічних зонах і в різних структурних поверхах. Найбільшою густиною характеризуються породи, що піддалися метагенезу в період головної фази тектогенезу району, тобто породи, що складають ранні флішоїдні формації, найменшою - слабко дислоковані утворення (моласові й інші формації). Спостерігається також латеральна зональність густини порід.