2. 3. Плотность магматических пород

Основными факторами, определяющими плотность горных пород, являются: минералогический и химический состав главных породообразующих минералов; структурно-текстурные особенности; степень диагенеза и метаморфизма /4,6,8/.

Плотность магматических пород зависит главным образом от состава пород и растет с увеличением их осносвности:

• у кислых пород (64-78 % кремнезема SiO₂) плотность 2,5 – 2,7 г/см³;

• у основных (44-53%) пород 2,8 – 3 г/см³;

• ультраосновных (<44%) пород 3,0-3,3 г/см³ .

Возрастание плотности пород в нормальном ряду гранит-перидотит происходит в результате постепенного уменьшения содержания микроклина и кварца, увеличения количества основности плагиоклазов, появление пироксенов. При одинаковом количестве кремнезема плотность пород щелочного ряда ниже плотности пород нормального ряда, что объясняется высоким содержанием щелочных элементов с большим атомным радиусом, обусловливающим менее плотную упаковку атомов.

В плотностном отношении интрузивные породы одного типа достаточно однородны и сравнительно хорошо выдержаны. Их плотность слабо зависит от структурно-текстурных особенностей и возраста. Некоторое увеличение плотности наблюдается при наличии значительного количества акцессорных рудных минералов.

Примеры плотности изверженных и магнитных пород с увеличением основности:

Туф средняя плотность 1,8 г/см³;

Гранит от 2,52 г/см³ до 2,81 г/см³ , средняя 2,67 г/см³ ;

Сиенит 2,63 г/см³ до 2,9 г/см³ , средняя 2,76 г/см³ ;

Диорит 2,8 г/см³ до 3,11 г/см³ , средняя 2,96 г/см³ ;

Перидотит 3,15 г/см³ до 3,28 г/см³ , средняя 3,23 г/см³ Дунит 3,25 г/см³ до 3,33 г/см³ , средняя 3,39 г/см³ .

Эффузивные породы в целом подчиняются тем же закономерностям, что и интрузивные: плотность увеличивается от кислых к ультроосновным образованиям. Однако вследствие более высокой пористости плотность эффузивных пород меньше плотности их интрузивных аналогов.

4. Плотность метаморфических пород.

Под метаморфизмом понимают глубокое изменение и преобразование горных пород, происходящее под воздействие различных эндогенных процессов/4,6,8/.

Главными факторами метаморфизма горных пород являются: температура, давление всестороннее, и гидростатическое (в значительной степени определяется глубиной), стресс (давление, ориентированное в одном направлении или одностороннее), химически активные флюиды и газы, выделяющие из внедряющихся магм и поступающие с больших глубин из мантии.

Повышение температуры может быть связаны с погружением горных пород на большую глубину по мере накопления мощных осадков, тепловым воздействием магмы, проникающей в земную кору, местным повышением теплового потока, поступлением глубинных флюидов и др. процессами.

Давление приводит к деформации минералов и вызывает закономерную

пространственную ориентировку их в горных породах. Благодаря деформации возникают пути для перемещения паров воды и газов, что увеличивает интенсивность химических реакций.

Стресс способствует перекристаллизации минералов и горных пород.

В зависимости от сочетания перечисленных факторов форма проявления метаморфизма весьма разнообразна.

При метаморфических преобразованиях горных пород, приспосабливающихся к новым термодинамическим условиям, происходит изменение их физических свойств и, прежде всего, плотности.

Плотность изменяется за счет структурных перестроек при изохимических процессах. Изохимическим метаморфизмом (ísos - равный) называют метаморфизм, когда не происходит привноса и выноса химически активных веществ (или их мало), состав горных пород почти не изменяется (например, преобразование известняка в мрамор) или изменяется в незначительной степени.

В том случае, когда метаморфические изменения сопровождаются значительным привносом вещества и выносом вещества, происходит замещение одних минералов другими, то есть происходит метасоматоз. Изменение химического состава тоже приводит к изменению плотности.

Динамометаморфизм (дислокационный), или катакластический (от греч. катаклазо - разрушаю) метаморфизм (приразломный) — происходит в верхних зонах земной коры, главным образом под влиянием сильного одностороннего давления - стресса. Он связан с тектоническими движениями, вызывающие разрывы в земной коре и перемещение по ним отдельных блоков. Вследствие этого катакластический метаморфизм локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений, особенно с полого падающими поверхностями сместителей. В процессе перемещения пород по разломам при сравнительно низкой температуре происходит их разрушение и дробление. Изменяются текстурно-структурные особенности пород, но минеральный состав почти не меняется (или в малой степени). Все это сопровождается понижением плотности за счет текстурных изменений.

В более глубоких зонах, где температура повышается, механическое разрушение пород сменяется пластическими деформациями. Совместное воздействие высоких температур и давлений приводит к некоторому изменению минерального состава, вследствие перераспределения вещества. Сопровождение приноса вещества приводит, наоборот, к возрастанию плотности пород.

Автометаморфизм — происходит в период застывания интрузивной магмы и становления магматических горных пород. Такой метаморфизм протекает в самом интрузивном теле (при его остывании и кристаллизации). Широко развиты процессы амфиболизации (замещение пироксена амфиболом), альбитизации основных плагиоклазов, серпентинизации ультраосновных пород (перидотитов, дунитов).

Серпентинизация пород характерна для большинства известных массивов гипербазитов. Изменение пород отмечается преимущественно с поверхности, но в ряде массивов оно захватывает глубокие горизонты (до 1000-1500 м), особенно вдоль разломов. В процессе серпентинизации происходит разложение минералов с высокой плотностью (пироксенов, оливина) и образование малоплотного серпентина при небольшом содержании магнетита и других акцессорных минералов. Процесс протекает постепенно и характеризуется также постепенным уменьшением плотности пород. Наименьшую плотность имеют серпентиниты. Их дальнейшее изменение – карбонатизация приводит к новому увеличению плотности.

Процесс амфиболизации наиболее характерен для габбро и габбро-норитов, но наблюдается также и в гипербозитах. При амфиболизации происходит разложение пироксена с образованием амфибола и плагиоклазов с кристаллизацией хлорита, серицита и эпидота, т.е. минералов с меньшей плотностью. Измененные породы, как следствие характеризуются пониженной плотностью.

Контактовый метаморфизм. Этот тип метаморфизма связан с внедрением магмы в земную кору. Он наблюдается на контакте интрузий и вмещающих горных пород. При этом изменение происходит не только во вмещающих породах, но и в верхней части самих магматических интрузий. Изменение и преобразование горных пород, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактным метаморфизмом. А изменение, происходящие в краевой части интрузии эндоконтактным метаморфизмом. Здесь присутствуют широко идущие процессы метасоматоза и образование метасоматитов.

Процессы контактового метаморфизма могут быть без существенного изменения химического состава исходной породы, например при образовании роговиков (термальный метаморфизм); иногда они сопровождаются значительными метасоматическими изменениями. Возникающие при метаморфизме осадочных пород роговики характеризуются повышенной плотностью. Степень увеличения плотности определяется минеральным составом роговиков. Кристаллические сланцы, возникающие в результате контактового метаморфизма (с проявлением метасоматоза) глинистых и известково-глинистых осадочных пород, отличаются резко повышенной плотностью по сравнению с исходными породами, что обусловлено появлением минералов с высокой плотностью и резким уменьшением пористости пород.

Региональный метаморфизм проникает на большую глубину и захватывает значительные площади. Факторами регионального метаморфизма являются подъем температуры, давления, воздействием флюидов. В зависимости от их соотношения меняется и степень метаморфизма.

Усиление степени метаморфизма от зелено-каменной фации к эклогитовой сопровождается увеличением плотности. Главное свойство является снижение пористости. Пористость становится 1-2%. Дальнейшее повышение степени метаморфизма, сопровождается увеличением плотности. Это происходит вследствие образования полиморфных модификаций минералов с более уплотненными кристаллическими решетками. При этом первоначальный состав оказывает настолько существенное влияние, что кислые породы высоких стадий метаморфизма имеют меньшую плотность, чем основные породы более низких стадий.

Ультраметаморфизм особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубоких зонах складчатый областей. Процессы ультраметаморфизма вызывают наиболее глубокое изменение горных пород, при котором происходит перекристаллизация, метасоматоз, селективное или полное расплавление. Все эти преобразования сопровождаются разуплотнением пород, что свидетельствует об их приспособлении к условиям более низких давлений и о протекании процессе в условиях повышенных температур.

Частично- или полно- расплавленные горные породы проникают во вмещающие породы. Образуются смешанные породы, состоящие из материала исходной породы и расплава. Эти породы называют мигматиты. Разновидностью мигматитовой формации является чарнокитовая формация. Считается, что чарнокитизация и гранитизация пород – одно из наиболее ярких проявлений ультраметаморфизма. Процессы чарнокитизации и гранитизации (мигматизации) приводят к существенному изменению физических характеристик пород в связи с образованием иных минеральных ассоциаций.

Наблюдается непрерывный ряд формаций:

• габбро-диорит-чарнокитовая формация, типичная для архея, характеризуется в среднем повышенной плотностью (σ_ср= 2,75 г/см³) при больших дисперсиях параметра.

• Чарнокит-диорит-гранитовая формация (также развитая в архейских структурах) имеет плотность 2,65-2,74 г/см³.

• Плотность пород чарнокит-гранитовой формации, характерной для протерозоя, составляет 2,6-2,7 г/см³.

• Мигматит-гранитовые формации характеризуются выдержанной плотностью, преимущественно равной 2,6-2,65 г/см³.

Таким образом, в процессе чарнокитизации и гранитизации происходит понижение основности и плотности пород, связанное с уменьшением давления и температуры при подъеме блоков из нижних горизонтов земной коры к ее верней части.

Регрессивный метаморфизм или диафторез - связан с изменением термодинамических условий в сторону уменьшения температуры и давления.

Метаморфические горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях вследствие восходящих тектонических движений или других причин, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этих случаях происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциациях на породы, сформированные при более высоких температурах. Это регрессивный метаморфизм.

При регрессивном метаморфизме и диафторезе плотность пород уменьшается. Если эти процессам сопутствует милонитизация, то есть процесс раздробления и перетирания горных пород, то образующиеся кристаллические сланцы отличаются резко пониженной плотностью. Так как вследствие микротрещиноватости увеличивается пористость. Таким образом, низкотемпературные минералы характеризуются более низкой плотностью по сравнению с высокотемпературными минералами.

4. Плотность и пористость осадочных пород.

   Плотность осадочных пород определяется в первую очередь их пористостью, обусловленной структурой и диагенезом пород, в меньшей степени минеральным составом /4,6,8/.

Пористость в широком смысле этого слова это доля объема пор в общем объеме пористого тела.

Зависимость между плотностью и пористостью горных пород выражается уравнением 2.11 и 2.8.

В целом точность определения плотности комплексов горных пород по корреляционным зависимостям составляет 0,02-0,06 г/см³. Для осадочных пород И.Н.Михайловым и Э.О. Тарасовой установлена зависимость:

(2.13)

Плотность минералов, образующих горные породы, может отличаться от плотности химически чистых самородных кристаллов. Вариации плотности минералов могут составлять 0,01-0,1 г/см³, иногда достигают 0,3г/см³ за счет неоднородности химического состава, наличия посторонних микропримесей и микротрещиноватости.

Пористость скальных пород незначительна и обычно изменяется от долей процента до нескольких процентов: у полускальных она может достигать 15-20%. Исключение составляет некоторые эффузивы: базальты, туфы, туффиты, а также некоторые известняки-ракушечники, мел, опоки и др., пористость которых достигает 30-35% (Зинченко В.С., 2005).

Общая пористость песчаных и глинистых пород изменяется в довольно широких пределах в зависимости от формы и размера слагающих их частиц, плотности сложения, сечения и характера цементации.

Пористость неоднородных по гранулометрическому составу пород обычно меньше, чем однородных, хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах более мелкие частицы располагаются среди более крупных и общая плотность упаковки повышается. Чем меньше коэффициент неоднородности гранулометрического состава пород, тем выше их пористость (Зинченко В.С., 2005).

Существенное слияние на пористость пород оказывает плотность сложения. В зависимости от плотности укладки равновеликих частиц шарообразной форме независимо от их размера коэффициент пористости может изменяться от 26% при тетраэдрической укладке частиц до 48% при кубической (рис.2.2).

а б в

Рис.2.1. Изменение пористости породы, состоящей из равновеликих частиц шаообразной формы, в зависимости от плотности их сложения:

а – наиболее рыхлое сложение (k_п=48%), б – средней плотности (k_п=40%), в – наиболее плотное (k_п=26%) (Зинченко В.С., 2005).

У пород тонкозернистых (тонкодисперсных) пористость выше, чем у пород грубодисперсных с меньшей удельной поверхностью. В соответствии с этим общая пористость глинистых пород обычно выше, чем пористость песков, гравелитов и других обломочных пород, хотя поры и пустоты у последних крупнее. У некоторых типов глин она может достигать 60%.

По общей пористостью горные породы подразделяются на три группы:

1. с низкой пористостью, k_п<5%;

2. со средней пористостью k_п=5-20%;

3. с высокой пористостью k_п > 20%.

По условиям происхождения различают пористость первичную (сингенетичную) и вторичную (эпигенетичную). Первичная пористость возникает в процессе формирования породы. Вторичная пористость в горных породах (каверны, трещины, каналы) возникают в результате перекристаллизации элементов, составляющих породу, растворения и выщелачивания отдельных минералов и цемента, уплотнения и разуплотнения при воздействии тектонических сил, физического выветривания.

В зависимости от причин, порождающих трещиноватость горных пород, а также от структуры, текстуры, минералогического состава в горных породах образуются различные трещины по ширине (раскрытости), длине и ориентировке в пространстве. Отсюда выделяются следующие типы пород, пустотное пространство образовано межгранулярными (межзерновыми, первичными) порами, то есть коллекторами (Зинченко В.С., 2005):

1. коллекторы кавернозного типа, приуроченные, в основном, к карбонатным породам с кавернами и карстом, связанными между собой микротрещинами, по которым осуществляется фильтрация жидкостей и газов;

2. коллекторы трещинного типа, приуроченные к карбонатным породам, плотным песчаникам, хрупким сланцам, пронизанным трещинам, из которых фильтрация происходит только по трещинам с раскрытостью 0,005-0,01 мм;

3. коллекторы смешанные, представляющие собой сочетания и переходы по площади к размеру первого, второго типа и пористого коллектора.

Поры в породах могут быть связаны между собой и с атмосферой или изолированы друг от друга. В первом случае говорят об открытой, а во втором – о закрытой пористостью. Сумма объемов открытых и закрытых пор породы является ее общей пористость:

V_пор=V_п.о+V_п.з (2.14)

В слабоглинистых, высокопористых рыхлых породах общая и открытая пористости отличаются незначительно. В глинистых породах, в которых присутствуют, в основном, субкапилярные поры, различие может быть значительным.

В нефтепромысловой геологии при гидродинамических расчетах используют понятие эффективной и динамической пористости.

Коэффициент эффективной пористости k_пэф характеризует полезную емкость породы по отношению к нефти или газу и представляет собой объем открытых пор за исключением объема заполненного физически связанной и капиллярно-удерживаемой водой:

(2.15)

где k_п.св – коэффициент водонасыщения, определяющий содержание связанной воды в единице объема пор; V_в.св- объем связанной воды.

Динамическая пористость k_п.д. представляет собой отношение объема фильтрующейся жидкости в породе к объему породы при заданной градиенте давления:

, (2.16)

где V_д – объем фильтрующейся жидкости; V – объем образца в породе. Объем V_д определяет количество извлекаемой нефти и газа.

Плотность породообразующих минералов песчано-обломочных и глинистых пород 2,5-3 г/см³, а карбонатных и гидрохимических 1,9-3 г/см³. Минеральная плотность пород, т.е. средняя плотность минерального скелета, изменяется в пределах 2,58-2,86 г/см³ в песчано-обломочных и 2,16—3 г/см³ в хемогенных образованиях.

Значения плотности некоторых типов осадочных пород:

Глина 2,2-2,5

Аргиллит 2,3-2,4

Песок 1,5-1,7

Алевролит 2,1-2,5

Песчаник 2,1-2,4

Мергель 2,2-2,4

Известняк 2,4-2,6

Доломит 2,5-2,6

Гипс 2,4-2,5

Ангидрит 2,6-2,8

Плотностная характеристика геологического разреза также зависит от плотности жидкой и газообразной фаз и от геохимической деятельности пластовых вод. В естественном залегании осадочные породы, расположенные ниже уровня грунтовых вод, характеризуются относительной влажностью ω=0,8÷1. Основными факторами, определяющими плотность воды, является ее минерализация и температура. Например, увеличение общей минерализации на каждые 40 г/л приводит к увеличению плотности воды на 0,025 г/см³ (Зинченко В.С., 2005).

При пористости песчаников в 20% и заполнении пор газом их плотность будет ниже на 10-15%, чем у водонасыщенных песчаников. Зависимость плотности воды от температуры заметно проявляется при замерзании воды. Плотность воды при этом уменьшается примерно на 0,1 г/см³. При высокой весовой влажности изменение воды на 0,1-0,15 г/см³ может обусловить изменение плотности породы до 0,12 г/см³.

Минеральная плотность большинства осадочных пород изменяется в пределах 2,56-2,88 г/см³, т.е. относительное изменение составляет примерно 15 %. Влияние минеральной плотности проявляется лишь в породах с низкой пористостью. Для осадочных пород характерна высокая пористость, достигающая 30-40%.

Таким образом, плотность осадочных пород в значительной мере определяется их пористостью. В общем случае диапазон изменения плотности осадочных пород составляет 1,2-3 г/см³. Наиболее характерные значения находятся в пределах 1,5-2,8 г/см³.

На плотность песчано-глинистых пород существенное влияние оказывает степень их диагенеза*. К причинам, обуславливающим диагенез пород, относится гравитационное уплотнение, вызванное нагрузкой вышележащих толщ, давлением при складчатых деформациях, тектонической деятельностью. Закономерность изменения пористости и плотности одновозрастных водонасыщенных пород одинакового состава может быть описана с помощью эмпирических соотношений (М.Л.Озерская):

(2.17)

, (2.18)

где - предельное значение пористости при H=0; H – глубина залегания пород; - минеральная плотность.

Наибольшей способностью к уплотнению обладают глины. В свежееотложенных глинистых осадках пористость составляет 80%, а плотность уменьшается на 35-40%, а плотность возрастает до 1,8-2,08 г/см³. При значительных нагрузках и мощности толщи перекрывающих пород около 3 км плотность аргиллитов может составлять 2,4-2,5 г/см³. Дальнейшее уплотнение возможно лишь при перекристаллизации частиц, наблюдаемой в глинистых сланцах.

Пески и песчанки, в отличие от глин, более резко реагируют на гравитационное уплотнение. Хорошо отсортированный песок на дне водоема может иметь пористость около 40%. На глубинах 1-1,5 км пористость песка под действием нагрузки вышележащих толщ уменьшаться до 6-10% за счет перегруппировки и дробления зерен. Резкое уплотнение песчаников происходит преимущественно при небольших нагрузках. На глубинах 1-2 км их плотность достигает значений 2,4-2,6 г/см³.

__________

* Под диагенезом понимается только преобразование осадка в собственно осадочную породу

Нужно заметить, что средняя плотность нередко уменьшается к своду локальных положительных структур в связи с тенденцией обломочных пород становиться в этом направлении грубее. К своду локальных структур обычно уменьшается глинистость обломочных пород и возрастает их отсортированность и пористость, что приводит к снижению плотности пород.

Превращение карбонатных осадков в породу и их уплотнение происходит также при сравнительно небольших статических давлениях. На глубинах до 1 км плотность известняков и доломитов составляет 2,5-2,6 г/см³.

За счет дальнейшего диагенеза и перекристаллизации плотность карбонатных пород увеличивается незначительно.

Плотность карбонатных пород положительных структур тесно связана с их положением на структуре. Обычно на своде структур развиты преимущественно известняки, а по направлению к крыльям возрастает содержание доломитов, что способствует росту плотности. Уменьшение плотности к своду также связано с возрастанием их трещиноватости (Кобранова В.Н., 1986).

Определенные закономерности в распределении плотности прослеживаются и в карбонатно-глинистых толщах. При их образовании карбонатный материал размещается в повышенных, а глинистый – в пониженных участках палеорельефа дна. Это приводит к увеличению плотности на участках развития карбонатных пород.

Для гидрохимических осадков диагенез пород не имеет существенного значения, поскольку эти породы уже на стадии осадконакопления характеризуются минимальной пористостью. Как следствие диагенеза пород с глубиной отмечается повышение плотности с увеличением возраста пород.

Влияние литологического состава на плотность осадочных пород сравнительно невелико, но для некоторых разновидностей заметно: ангидрит 2,9 г/см³, гипс - 2,3 г/см³, каменная соль – 2,1 г/см³.

Наличие акцессорных минералов (сидерита, пирита и др.) повышает на 0,1-0,2 г/см³. Особенно это характерно для осадочных образований складчатых регионов и областей сноса в платформенном чехле. Большое влияние на величину плотности пород оказывает состав цемента. Замена глинистого цемента в песчаниках и конгломератах на карбонатный увеличивает их плотность на 0,2 г/см³. В то же время присутствие глинистого цемента в карбонатных породах снижает их плотность. Широкие предела изменения плотности в рамках даже одной литологической разности свидетельствуют о необходимости выделения более дробных петроплотностных групп. Например, по плотности среди песчаников до сильносцементированных. Группа известняков может вмещать 4-5 разностей от известняка рыхлого с плотностью 1,8-2,25 г/см³ до известняка кристаллического с плотностью 2,7-2,9 г/см³.

Обогащение породы рудными минералами ведет к увеличению ее плотности до 3,5-4,0 г/см³ в зависимости от их плотности и процентного содержания. Плотность руд, как правило, очень высокая (3,5- до 5 г/см³) но окисленные руды имеют небольшую плотность (1,5-2,0 г/см³).