Щільнісні властивості гірських порід

Густина, як і інші фізичні властивості порід, в узагальненому вигляді є відображенням їх речовинного складу, умов утворення та існування, при цьому вплив названих чинників на величини конкретних петрофізичних параметрів може бути суттєво відмінним. Безумовним є значно тісніший, по відношенню до інших фізичних характеристик, зв’язок щільнісних параметрів з особливостями макроскладу порід, що проявляється зокрема у меншій, порівняно з іншими петрофізичними характеристиками, варіабельності густини.

Петрофізичним параметром який найтісніше, з усіх фізичних властивостей загалом, пов’язаний із макроскладом порід є мінеральна густина. Це обумовлено, власне, самою методикою визначення d_M, спрямованою на максимально можливе виключення впливу будь-яких видів пористості. Перелік петрогенних окислів, чий вплив на величину мінеральної густини достатньо стабільний для всіх магматичних порід - це FeO, MgO, SiO₂, CaO і TiO₂. Частковим виключенням можна вважати лише надзвичайно збіднені фемічними компонентами лейкограніти. Від’ємні значення коефіцієнту кореляції між d_M та вмістом Fe₂O₃ в окремих відмінах середніх і кислих порід пояснюється зростанням ступеню окислення заліза в ослаблених зонах, в яких, природно, формуються розущільнені відміни порід. Аналіз кореляційних залежностей, виконаний за представницькою колекцією магматичних порід Українського щита показав, що спостерігається загальна тенденція зменшення коефіцієнтів кореляції між d_M і s_O, між густиною і параметрами складу при переході від генералізованих сукупностей до таксонів вищого порядку: коефіцієнт кореляції між мінеральною густиною і вмістом SiO₂ в гранітоїдах загалом складає -0,83, в кислих породах - ‑0,77, а у власне гранітах - ‑0,52. Це опосередковано підтверджує зростання ролі умов утворення в формуванні дисперсії густини при звуженні діапазону зміни складу порід. Наступне зростання тісноти зв’язків спостерігається вже лише на локальному рівні у випадках прояву конкретних процесів утворення чи перетворення порід (наприклад, в окремих відмінах чарнокітоїдів хлібодарівського комплексу коефіцієнт кореляції між d_M та вмістом K₂O досягає ‑0,82).

Можливість прогнозування складу магматичних порід за мінеральною густиною (і навпаки) при використанні певних сумарних коефіцієнтів була доведена ще Н.Б.Дортман. Для кислих магматичних порід Українського щита отримана залежність типу [4]:

,

а для середніх:

.

Більшість з встановлених зв’язків між мінеральною густиною і вмістом петрогенних окислів характерні й для густини твердої фази, об’ємної густини тощо, при цьому найнижчі значення коефіцієнтів кореляції спостережені для s_o, що узгоджується з різним ступенем впливу пористості на щільнісні параметри. Слід також зазначити, що рівні кореляційних зв’язків густини з вмістами петрогенних окислів в родинах і видах, як правило, нижчі, ніж в генеральній сукупності, що підкреслює зростання ролі умов утворення порід в формуванні дисперсії густини.

Густина твердої фази порід є адитивним параметром і визначається їх мінеральним складом:

де n-число мінералів, що складають тверду фазу; s_mіі V_mі - відповідно густина й об’єм зайнятий окремими мінералами в одиниці об’єму твердої фази.

Величина об’ємної густини гірських порід, які є трифазними системами, визначається складом і співвідношенням газової, рідкої і твердої фаз:

,

де s_т, s_р і s_г - густини відповідно твердої, рідкої і газової фаз породи; вони визначають маси обсягів V_т твердої, V_р рідкої і V_г газової фаз в обсязі V_п породи. Це рівняння не є справедливими для глинистих порід і глин через існування явища усадки - зменшення їх порового обсягу при висушуванні.

Густина повітря (за температури 20°С і тиску 0,1 МПа) дорівнює 1,2 кг/м³, а густина вуглеводневих газів знаходиться в межах від 0,715 кг/м³ (метан) до 3,17 кг/м³ (пентан) і в середньому близька до густини повітря. Величина густини газової фази є суттєво залежною від тиску. Рідка фаза представлена природною поровою водою, густина якої при температурі 20°С (в залежності від мінералізації) змінюється від 1010 кг/м³ (прісна вода) до 1240 кг/м³ (гранично міцна ропа), і сумішами цієї води із нафтою. Густина нафт змінюється, в залежності від їхнього хімічного складу, від 720 до 1000 кг/см³ і рідко коли буває більшою.

При інтерпретації петрощільнісних даних слід враховувати також залежність густини від умов утворення і існування порід, вплив яких, як правило, найбільш чітко проявляється за рахунок зміни густини мінералів та пористості порід. В результаті, дуже вірогідним є як формування подібних величин щільнісних параметрів в істотно (за складом, генезисом, структурою) відмінних породних відозмінах геологічних об’єктів. З іншого боку, частими є ситуації коли дуже близькі за складом і генезисом породи через другорядні відмінності (в тому числі викликані епігенетичними процесами), можуть істотно відрізнятись за величиною густини.

Густина інтрузивних та ефузивних порід. В загальному випадку щільнісні властивості магматичних порід визначаються як їх складом так і структурно-текстурними особливостями. Водночас, оскільки пористість невивітрених відмін інтрузивних порід, як правило, не перевищує перших відсотків, то головним чинником що визначає величину їх густини слід вважати особливості хімічного та мінерального складу. Вплив структурно-текстурних особливостей, в більшості випадків, призводить до зміни величини об’ємної густини не більш як на 50-70 кг/м³, що співставно із змінами які обумовлені епігенетичними процесами (зменшення густини при вивітрюванні без порушення суцільності порід досягає 40‑100 кг/м³), чи зростанням вмісту акцесорних мінералів. Вплив структури порід на їхню густину достатньо чітко простежується лише у випадку подібності складу порід. Так, густина слабкопорфіровидних гранітів Новолазарівського масиву УЩ на 7-10 кг/м³ нижча густини рівномірно-зернистих відмін, виникнення порфіробластів та овоїдів супроводжується зниженням s_о на 5-15 кг/м³.

В безрудних відмінах магматичних порід лужноземельного ряду середнє значення об’ємної густини зростає в ряду граніт-олівініт (від 2550-2650 кг/м³ до 3200-3500 кг/м³), що на загал узгоджується із зменшенням вмісту кремнезему і зростанням вмістів фемічних окислів. Густина порід лужного ряду за однакового вмісту кремнезему з породами нормального ряду є дещо нижчою, що обумовлено високими концентраціями лужних елементів із великим атомним радіусом, які утворюють мінерали менш щільних упаковок. Так, відміни сієнітів, які складаються майже виключно з польових шпатів, мають густину меншу за густину гранітів. Суперпозиція впливу чинників складу і умов утворення та існування визначає наявність досить широких діапазонів змін густини інтрузивних порід – від 100 кг/м³ у кислих порід, до більш як 300 кг/м³ – в ультраосновних.

Найвужчий діапазон зміни густини притаманний кислим породам (табл. 8.3). В найбільш лейкократових їх відмінах, за незначного вмісту акцесорних мінералів, величина густини фактично визначається співвідношенням вмісту калієвих польових шпатів і кварцу. Для більшості ж гранітів найбільш суттєві варіації значень пов’язані із зміною вмісту біотиту та амфіболу. Дисперсія густини в межах масивів гранітів залежить від витриманості складу та текстурних особливостей порід, а також від наявності зон ущільнення і розтягу, і може бути дуже незначною. Так, у вже згадуваних рівномірно-зернистих гранітах Новолазарівського масиву середнє квадратичне відхилення густини не перевищує 2 кг/м³, збільшуючись в порфіровидних відмінах до 7 кг/м³.

Густина середніх та основних порід суттєвим чином залежить від вмісту та складу фемічних мінералів (перш за все, амфіболів та піроксенів). Це добре видно при порівнянні густини габро і анортозиту, а також нормального та лейкократового габро. Процеси амфіболітизації основних порід, як правило, призводять до зниження їх густини. Густина порід підвищеної лужності (сієніти, граносієніти) дещо нижча густини порід нормального ряду.

Для всіх видів ультраосновних порід характерна висока густина – найбільші її значення зафіксовані в олівінітах і дунітах. При загальній залежності густини від вмісту SiO₂ дуже велике значення має залізистисть мінералів у рядах піроксенів і олівінів. Відмінність густини суто залізистих і суто магнезіальних відмін олівініту може сягати більш як 500 кг/м³, проте такі різновиди порід дуже рідкісні, а для більшості масивів характерний полімінеральний склад порід із типовим співвідношенням різних мінералів у різноманітних формаціях. При слабкій серпентинізації густина порід гіпербазитових масивів зменшується до 3000-3200 кг/см³, а при інтенсивній - до 2600-2700 кг/м³.

Залежність від складу величини густини ефузивних порід є подібною до інтрузивних порід. Тож в загальному випадку за величиною s_О можна з певною похибкою прогнозувати їх середній хімічний склад: в нормальному ряду густина зростає від кислих до основних відмін. Широкий діапазон зміни густини ефузивних порід близького мінерального складу обумовлений як відмінністю сингенетичних структур і текстур, так і подальшими діагенетичними перетвореннями. За близького хімічного складу (ліпарит - кварцовий порфір, андезит – порфірит, базальт – діабаз) густина палеотипних порід, як правило, дещо вища від густини їх кайнотипних аналогів. Причиною цього є спонтанна розкристалізація склуватої маси ефузивних порід (спочатку з’являються мікрокристаліти, а надалі породи набувають зернистої структури), а також епігенетичні перетворення деяких мінералів (розклад плагіоклазу з утворенням хлориту, серициту, епідоту тощо). Безсумнівним є вплив структурних і текстурних чинників на величину густини: при швидкому остиганні лав і значній кількості газів утворюються пористі текстури (пемзові, пузирчасті, мигдалекам’яні тощо) і склуваті структури. За меншої швидкості остигання скло встигає розкристалізуватися, і породи стають кристалічними. В межах одного лавового потоку можуть спостерігатися різноманітні структури і текстури порід, що спричиняє значну неоднорідність за густиною. Відмінності сингенетичних структур і текстур відображаються в величинах пористості та густини головним чином в кайнотипних ефузивах, пористість же палеотипних ефузивних порід змінюється в порівняно невеликих межах.

Густина метаморфічних та ультраметаморфічних порід. Щільнісні властивості (як і фізичні властивості загалом) метаморфічних порід залежать від: складу вихідних порід, термодинамічних умов і тривалості процесів метаморфізму, змін хімічного складу при метасоматичних перетвореннях. Мінливість мінерального складу обумовлює варіабельність густини в межах однойменних петрографічних груп (див. табл. 8.4) - часто характерною є безперервна зміна густини від вихідної до повністю зміненої породи. Коефіцієнти кореляції густини з вмістом породоутворючих мінералів значно нижчі ніж в інтрузивних породах, попри те що повнокристалічні структури порід і ущільнені текстури обумовлюють невелику пористість метаморфічних порід, яка лише зрідка перевищує 5 %. Характерна для метаморфічних порід сланцюватість не справляє суттєвого впливу на величину щільнісних властивостей.

В регіонально метаморфізованих товщах (за умови ізохімічності по макрокомпонентам) спостерігається зростання густини при збільшенні ступеню метаморфічних змін порід. Найбільш різке збільшення густини (на 8-12 %), спостерігається на початкових етапах перетворення осадових і ефузивних порід, що обумовлено, головним чином, суттєвим зниженням пористості. Подальше зростання густини, при підвищенні ступеня метаморфізму, відбувається внаслідок утворення поліморфних модифікацій мінералів із більш щільними кристалічними гратками. При цьому в породах основного складу верхня межа зростання густини в процесі метаморфічних перетворень значно вища ніж в породах кислого складу. До того ж ідентичні зміни термодинамічних умов неоднаково впливають на породи різного мінерального складу. Як наслідок, спостерігається значна диференціація регіонально метаморфізованих осадових і осадово-вулканогенних товщ за густиною. При регресивному метаморфізмі і діафторезі, внаслідок зростання пористості і утворення низькобаричних мінералів, густина порід зменшується.

Процеси ультраметаморфізму, за яких гірські породи зазнають найбільш глибоких змін, найчастіше супроводжуються зменшенням густини порід. Зокрема, найпоширеніший комплекс ультраметаморфічних процесів, відомий під назвою гранітизації порід, призводить до поступового зниження основності і густини порід. Густина новоутвореної породи при неповному заміщенні мінералів залежить від ступеню гранітизації і від густини вихідної породи. При повній зміні порід і утворенні гранітів їх густина фактично не залежить від мінерального складу вихідної породи.

При слабкому прояві процесів динамометаморфізму відбувається розсланцювання порід і утворення катаклазованих відмін, що супроводжується зниженням густини за рахунок текстурних змін. При більшому стресі відбувається одночасна перекристалізація порід, що часто супроводжується привнесенням речовини, у результаті чого густина може зрости. Процеси контактового метаморфізму можуть відбуватися без значних змін хімічного складу вихідної породи, однак в більшості випадків вони супроводжуються підвищенням густини, ступінь зростання якої визначається мінеральним складом утворених роговиків і сланців.

Густина осадових порід.Мінеральна густина осадових порід змінюється в достатньо широких межах (табл. 8.5). Зазвичай найвищі її значення характерні для нормально-уламкових порід, а мінімальні – для евапоритів і каустобіолітів. Мінливість мінерального складу як алотигенної так і аутигенної складових осадових порід часто обумовлює значні коливання параметру (близько 10-15 %) навіть в межах однорідного геологічного тіла, що, за умови низької пористості, може суттєвим чином впливати на величину s_О. При зростанні пористості вплив d_М на об’ємну густину зменшується.

В загальному випадку найвищою є густина твердої фази карбонатних порід (s_т вапняків змінюється переважно від 2710 до 2740 кг/м³, а доломітів - від 2800 до 2900 кг/м³). Дещо нижча густина твердої фази піщаних, алевритових і глинистих порід, значення якої можуть знижуватись до 2200 кг/м³. Водночас, наявність домішок мінералів з високою густиною (гранат, циркон, рутил, ільменіт, каситерит, магнетит, слюди, пірит, сидерит, шамозит тощо) може призвести до значного зростання густини твердої фази порід, яка в окремих випадках може навіть перевищувати 3500 кг/м³. Зниження s_т в карбонатних та уламкових породах зазвичай пов’язане із присутністю опалу, каолініту, алофану та інших мінералів з малою густиною. Густина твердої фази кременистих порід змінюється від 2000 кг/м³ (діатоміт) до більш як 2650 кг/м³ (яшми і кремені). Ще нижчою (в разі відсутності значних кількостей ангідриту) може бути густина твердої фази евапоритів: в мірабіліту вона приблизно дорівнює 1500 кг/м³, у кам’яної солі - 2100-2200 кг/м³, у гіпсів – близько 2300 кг/м³. Найнижчі значення густини твердої фази встановлені для графіту і вугілля (s_т=1250‑2270 кг/м³), при цьому низькі значення цього параметру відповідають чистому вугіллю з мінімальною кількістю домішок.

Об’ємна густина осадових порід змінюється в діапазоні 1200-3000 кг/м³ і набагато сильніше ніж в інших породах залежить від пористості, а також від густини рідинної та газової фаз. Вплив цих чинників на осадові породи різного генезису відмінний – для уламкових порід визначальну роль відіграють гранулометричний склад, спосіб сполучення зерен і характер цементації, для колоїдогенних – діа- та епігенетичні перетворення тощо. Вплив порового заповнювача на величину густини контролюється величиною відкритої пористості.

Діагенетичні і катагенетичні перетворення осадових порід відбуваються під дією зростаючого геостатичного тиску, результатом чого є незворотне компресійне ущільнення. Відтак однотипні осадові утворення одного типу різних рівнів глибинності можуть суттєво відрізнятися за густиною. Найбільшого ущільнення зазнають пластичні глинисті породи, а найменшого – пісковики з жорстким кварцовим і карбонатним цементом. Зростанню густини сприяють також утворення гематитового, сидеритового, піритового цементу, процеси дегідратації водовмісних мінералів. Загальна закономірність зміни густини водонасичених (s_вн) однотипних і одновікових порід із глибиною може бути виражена емпіричним експоненційним рівнянням (за [7]):

де H - глибина залягання порід, К_Пмакс - граничне значення коефіцієнту пористості при H=0, d_М - мінеральна густина.

Знання щільнісних властивостей є необхідним не тільки для планування і інтерпретації геофізичних досліджень, а й для побудови петрогустинних моделей земної кори, мантії та Землі в цілому, моделювання геологічних процесів, підрахунку запасів корисних копалин тощо.

Таблиця 8.3 – Об’ємна густина (в кг/м³) магматичних порід (за [7,9] , із змінами).

Де: s_Осер - середнє значення об’ємної густини; s_Оmin-s_Оmax - межі змін густини найбільш поширених відмін

Таблиця 8.4 - Об’ємна густина (кг/м³) метаморфічних порід (за [2,7,9]).

Таблиця 8.5 – Мінеральна та об’ємна густина поширених осадових порід (в кг/м³ за [2, 7, 9]).

* величина d_М грубоуламкових утворень визначається петрографічним складом уламків.