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 δ_0i и может быть рассчитана по формуле

где n - число минералов, слагающих породу; V_i — 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 + k_п ),

где Р — пористость в долях единицы.

Если порода сложена из минералов примерно одинаковой плотности, ее объемная плотность в основном зависит от пористости[7].

Объемная плотность малопористых пород в основном зависит от их минерального состава[8].

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 k_пл — отношением объемного веса пород к удельному весу (или отношением соответствующих плотностей), характеризующим степень заполнения объема горной породы минеральным веществом: