- •Петрофизика
- •Введение
- •Глава 1. Методика петрофизических исследований
- •1.2. Методы изучения физических свойств
- •1.3. Характеристика основных геофизических свойств горных пород.
- •1.4. Статистические методы обработки определений физических свойств.
- •1.5. Построение петрофизических карт и разрезов
- •Петрофизические карты
- •Окраска карт
- •Карты физических параметров
- •Специализированные карты
- •Петрофизические разрезы
- •Глава 2 Плотность и пористость минералов и горных пород
- •Плотность минералов
- •2. 3. Плотность магматических пород
- •Плотность метаморфических пород.
- •2.6. Плотность нефтей
- •Определение плотности
- •Глава 3. Упругие свойства минералов и горных пород
- •3.1. Упругие параметры физических тел
- •Скорость упругих волн и упругие модули химических элементов и минералов
- •3.3 Скорости упругих волн в магматических и метаморфических породах.
- •3.4. Скорости упругих волн в осадочных породах.
- •Методы изучения упругих свойств
- •Глава 4 Теплофизические свойства минералов и горных пород
- •4.1 Теплофизические параметры веществ и методы их измерения
- •4.3.Теплофизические параметры горных пород
- •Глава 5. Магнитные свойства минералов и горных пород
- •5.1. Магнитные параметры физических тел
- •5.2 Магнитные свойства химических элементов и минералов.
- •5.3. Магнитные свойства горных пород
- •5.4. Магнитная восприимчивость нефти.
- •5.5. Палеомагнитная характеристика горных пород
- •Глава 6 Электрические свойства минералов и горных пород
- •6.1 Электрические свойства веществ
- •6.2. Удельное электрическое сопротивление элементов и минералов
- •6.3. Основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.
- •6.4. Электрические свойства горных пород
- •6.5. Электрические свойства залежи нефти и газа
- •6.6. Методы определения электрических свойств горных пород
- •Глава 7. Ядерно-физические (радиоактивные) свойства минералов и горных пород
- •7.1. Естественная радиоактивность
- •7.2. Радиоактивность минералов и горных пород.
- •7.3. Искусственная радиоактивность, используемая в ядерной геофизике.
- •Глава 8 Петрофизическое моделирование.
- •8.1 Понятие о петрофизической модели
- •8.2. Формирование петрофизической модели
- •8.3. Выделение структурно-вещественных комплексов
- •В.К.Хмелевской, Геофизические методы исследования земной коры. Международный университет природы, общества и человека "Дубна"1997 г.
Плотность минералов
Плотность минералов определяется массой составляющих их химических элементов и строением электронных оболочек атомов этих элементов, которые обуславливают, в свою очередь, формы кристаллической связи, конституцию и габитус кристаллов. Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов с повышенной относительной атомной массой и чем меньше их атомные (ионные) радиусы. С уменьшением атомных радиусов плотность упаковки атомов в единице объема возрастает.
Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи.
Породообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.
Плотность рудных минералов в основном зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. Увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения массы при подчиненном влиянии структуры, что соответствует электронному строению атомов типа d для хрома, железа, свинца и других тяжелых элементов. Для них характерно ковалентно-металлическая и ионно-металлическая химическая связь. Значения плотности составляют 3,5-7,5 г/см3 . Самородные минералы (золото, серебро, платина, медь и др.) с металлической связью имеют самые высокие значения плотности (золото 19,32 г/см3 , серебро – 10,5 г/см3, медь 8,9 г/см3).
Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см3) и графит (2,23 г/см3), пирит (2,013 г/см3) и марказит (4,875 г/см3), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см3) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см3). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа*, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.
Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см3).
Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Наиболее типичные значения плотности минералов и пределы вариации плотности приведены в таблице 2.1 (использованы данные Н.Б.Дортман, 1984).
Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см3 (лед) до 22,5 г/см3 (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные ( >4 г/см3), средние (от 2,5 до 4 г/см3) и малой плотности ( <2,5г/см3 ). К плотным минералам относятся: самородные металлы, сульфиды, за редким исключением (аурипигмент, реальгар), более половины из окислов и гидроокислов, редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, ксенотим), вольфраматы, некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).
___________
* координационное число- в кристаллографии число ближайших к данной атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле, находящихся от него на одинаковом расстоянии.
Плотность г/см3, породообразующих и рудных минералов Таблица 2.1
Минерал |
Химическая формула |
Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала |
Вариации плотности минерала |
Самородные элементы |
|||
Медь |
Cu |
- |
8,5-8,9 |
Серебро |
Ag |
- |
10,3-11,0 |
Золото |
Au |
- |
15,0-19,5 |
Платина |
Pt |
- |
13,1-21,5 |
Сера |
S |
2,0 |
- |
Алмаз |
C |
3,52 |
- |
Графит |
C |
2,2 |
2,09-2,25 |
Сульфиды |
|||
Халькозин |
Cu2S |
- |
5,5-5,8 |
Галенит |
PbS |
- |
7,4-7,6 |
Сфалерит |
ZnS |
3,9-4 |
3,5-4,2 |
Киноварь |
HgS |
- |
8,0-8.2 |
Никелин |
NiAs |
- |
7,6-7,8 |
Халькопирит |
CuFeS2 |
- |
4,1-4,3 |
Станин |
Cu2FeSnS4 |
- |
- |
Борнит |
Cu5FeS4 |
- |
4,9-5,2 |
Аурипигмент |
As2S2 |
- |
3,4-3,5 |
Реальгар |
As4S4 |
- |
3,5-3,6 |
Антимонит |
Sb2S3 |
- |
4,5-4,6 |
Висмутин |
Bi2S3 |
- |
6,4-6,7 |
Молибденит |
MoS2 |
- |
4,6-5,0 |
Пирит |
FeS2 |
- |
4,9-5 |
Марказит |
FeS2 |
- |
4,7-4,9 |
Арсенопирит |
Fe[AsS] |
- |
5,9-6,0 |
Галогениды |
|||
Флюорит |
CaF2 |
3,18 |
3,01-3,25 |
Галит |
NaCl |
2,168 |
- |
Сильвин |
KCl |
1,99 |
- |
Окислы, гидроокислы |
|||
Куприт |
CuO2 |
6-6,15 |
5,85-6,15 |
Корунд |
Al2O3 |
4,0 |
- |
Ильминит |
FeTiO3 |
4,79 |
4,7-5,2 |
Гематит |
Fe2O3 |
- |
5,0-5,3 |
Шпинель |
MgAl2O4 |
3,6 |
3,5-3,7 |
Магнетит |
FeO4 |
- |
5,0-5,2 |
Хромит |
FeCr2O4 |
- |
4,8-5,2 |
Минерал |
Химическая формула |
Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала |
Вариации плотности минерала |
Хризоберилл |
BeAl2O4 |
- |
3,5-3,9 |
Рутил |
TiO2 |
4,23 |
4,18-4,18-4 |
Касситерит |
SnO2 |
7,03 |
6,8-7,1 |
Пиролюзит |
MnO2 |
- |
4,7-5 |
Перовскит |
CaTiO3 |
- |
4,0-4,2 |
Самарскит |
(YU)(TaNb)2O8 |
- |
5,5-6,5 |
Уранинит |
UO2 |
- |
7,5-10,6 |
Опал |
SiO2*nH2O |
1,9-2,1 |
1,9-2,5 |
Бёмит |
AlO(OH) |
3,01 |
3,01-3,11 |
Диаспор |
AlOOH |
3,3-3,5 |
3-3,5 |
Гидроаргиллит |
Al(OH)3 |
2,43 |
2,3-2,43 |
Карбонаты |
|||
Кальцит |
Ca[CO3] |
2,715 |
2,6-2,8 |
Арагонит |
Ca[CO3] |
2,9-3 |
2,85-3 |
Магнезит |
Mg[CO3] |
2,96 |
2,9-3,1 |
Доломит |
CaMg[CO3]2 |
2,87 |
1,8-3,15 |
Сидерит |
Fe[CO3] |
3,89 |
3-3,9 |
Смитсонит |
Zn[CO3] |
- |
4,1-4,5 |
Малахит |
Сг[CO3](OH2) |
- |
3,9-4,03 |
Сульфаты |
|||
Барит |
Ba[SO4] |
4,5 |
4,3-4,7 |
Целистин |
Sr[SO4] |
- |
3,9-4,0 |
Ангидрит |
Ca[SO4] |
2,9 |
2,8-3 |
Англезит |
Pb[SO4] |
- |
6,1-6,4 |
Гипс |
Ca[SO4]2H2O |
2,3 |
2,3-2,4 |
Тенардит |
Na[SO4] |
- |
2,6-2,7 |
Мирабилит |
Na[SO4]10 H2O |
1,5 |
- |
Алунит |
KAl[SO4]2(OH)6 |
2,58 |
2,5-2,8 |
Ярозит |
KFe[SO4]2(OH)6 |
- |
3,1-6,3 |
Хроматы |
|||
Крокоит |
Pb[CrO4] |
6,0 |
- |
Вольфраматы, молибдаты, |
|||
Шеелит |
Ca[WO4] |
- |
5,8-6,2 |
Вольфрамит |
(Mn,Fe)WO4 |
7,1-7,5 |
6,7-7,5 |
Повеллит |
Ca[MoO4] |
- |
4,2-4,5 |
Вульфенит |
Pb[MoO4]
|
-
|
6,3-7,0 |
Минерал |
Химическая формула |
Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала |
Вариации плотности минерала |
Фосфаты, арсенаты, ванадаты |
|||
Монацит |
Ce[PO4] |
5,3 |
4,9-5,5 |
Ксенотим |
YPO4 |
4,45-4,51 |
4,4-4,56 |
Апатит |
Ca5[PO4]3(F,Cl,OH) |
3,18-3,21 |
3,16-3,27 |
Эритрин |
Co[AsO4]28H2O |
- |
2,9-3,1 |
Карнотит |
K2[UO2]2[VO4]3H2O |
4,46 |
- |
Бораты |
|||
Борацит |
Mg3B7O13Cl |
2,9 |
- |
Силикаты |
|||
Циркон |
Zn[SiO4] |
4,68-4,7 |
3,8-4,86 |
Дистен |
|
3,5-3,7 |
- |
Андалузит |
Al[SiO4]O |
3,1-3,2 |
3,1-3,22 |
Силлиманит |
Al [Si Al O5] |
3,23-3,25 |
|
Гранаты: |
|
|
|
альмандин |
Fe3Al2[SiO4]3 |
4,25 |
3,69-4,33 |
андрадит |
Ca3Fe2 [SiO4]3 |
3,75-3,78 |
3,64-3,9 |
гроссуляр |
Ca3Al2[SiO4]3 |
3,53 |
3,53-3,71 |
пироп |
Mg3Al2[SiO4]3 |
3,51 |
3,5-3,8 |
спессартин |
Mn3Al2[SiO4]3 |
4,18-4,27 |
3,8-4,25 |
Сфен |
CaTi[SiO4]O |
3,4-3,56 |
3,29-3,56 |
Антофиллит |
(MgFe)7 Ca [Si4 O11]2[OH]2 |
3-3,15 |
2,8-3,4 |
Эпидоты: |
Ca2Al3[Si2O7] [SiO4]O[OH] |
|
|
цоизит |
3,25-3,36 |
- |
|
Ортит |
|
4,1 |
3,5-4,1 |
Кордиерит |
(MgFe)2[Si5AlO18] |
3,57-2,66 |
2,57-2,78 |
Турмалины: |
(Na,Ca) (Mg,Al)6 [B3Al3Si6 (O,OH) |
|
|
дравит |
3,05 |
- |
|
шерл |
3,16 |
2,9-3,2 |
|
Пироксены: |
|
|
|
волластонит |
Ca [Si3 O9] |
2,8-2,9 |
2,79-2,91 |
генденбергит |
CaFe[Si2 O6] |
3,55 |
3,5-3,6 |
эгирин |
NaFe[Si2 O6] |
3,5-3,56 |
3,43-3,6 |
Тальк |
Mg3[Si4O10][OH]2 |
2,78 |
2,7-2,8 |
Пирофиллит |
Al2[Si4O10][OH]2 |
- |
2,66-2,9 |
Мусковит |
KAl2[AlSi3O10][OH]2 |
2,76-3,1 |
2,5-3 |
В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь и др.) и малым атомным (ионным) радиусом. Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности. К ним относятся: самородные неметаллы – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минерала класса силикатов (монтмориллонит, галлуазит); некоторые из галогенидов (галит, сильвин), карбонатов, боратов. Хорошая дифференциация минералов по плотности позволяет использовать эту величину для их распознавания.