Методы изучения состава и строения пород

Объекты изучения состава и строения по степени нарастания трудности можно расположить последовательно в следующем порядке: минерал (монокристалл) — минеральный агрегат (поликристалл) — порода: однофазная (плотная) мономинеральная; многофазная (пористая) полиминеральная; нарушенная; - массив разнородных горных пород (нарушенный и многофазный).

При изучении горных пород в первую очередь определяют их минеральный состав и строение. Простейшее качественное определение минералов проводят по ряду внешних признаков: форме, цвету, блеску, спайности, твердости, горючести, запаху, шероховатости и т. д.

Если внешних признаков недостаточно для точной диагностики минерала, пользуются характерными реакциями некоторых минералов с кислотами, щелочами или «методом паяльной трубки», который заключается в наблюдении изменений минералов при воздействии на них высокой температуры в различной химической среде.

Для более глубокого исследования пользуются микроскопическим методом. В этом случае из породы изготовляют шлиф (пластинку толщиной 0,02 ÷ 0,03 мм), который изучают под поляризационным микроскопом. При этом определяют минеральный состав шлифа, очертания отдельных минералов, трещины, спайности, включения стекла, жидкостей, газов и т. д.

Микроскопический метод позволяет не только определить наличие в породе тех или иных минералов, но и подробно описать ее строение. Подобные исследования проводят также на электронном микроскопе.

Для горного производства нет необходимости выделять большое число различных групп по строению пород, так как значение имеет лишь такое строение, которое в практически важных пределах спо­собно изменить физико-технические характеристики пород. Поэтому строение минерального и порового объемов образца может оцениваться одними и теми же параметрами: размером и формой зерен и пор; неоднородностью размеров и формы; относительным содержанием составляющих минералов по размеру и форме; взаимной ориентацией зерен и пор; степенью связи между частицами породы и порами.

Размер минеральных зерен и пор оценивается по средней их величине d_ср, а форма минеральных зерен и пор — коэффициентом формы k_ф, являющимся отношением их максимальных размеров l к минимальным d.

Отношение максимального размера зерен, занимающих 90% площади образца (d₉₀), к максимальному размеру зерен, занимающих 10% площади образца (d₁₀), называется коэффициентом неоднородности размеров зеренпороды

.

Отношение

называется коэффициентом неоднородности формы зерен породы.

Характеристикой строения, указывающей на степень анизотропности горной породы, является преимущественная ориентация минеральных зерен относительно друг друга или пор относительно минеральной фазы.

В пределах пород одного вида связь между частицами породы может быть ослаблена из-за наличия между зернами пор, трещин или тонких прослойков выветривания минералов. Эти характери­стики близки понятию «пористость породы», причем значение имеет не сама величина пористости, а наличие плоскостей ослабления, т. е. пористость вытянутая, плоскостная. В качестве численного параметра степени ослабления связи минеральных зерен k_св удобно использовать произведение

,

где Р — пористость в долях единицы; - средний коэффициент формы порового пространства.

Для определения относительного количества минералов, слагающих породу, пользуются разделением минералов (сепарацией) и методом химического анализа, заключающимся в количественном определении содержащихся в породе элементов. Зная химический, состав породы, можно расчетным путем перейти к ее количественному минеральному составу.

Для полуколичественной диагностики минералов широко используются методы рентгеноструктурного (метод интерференции[14]) и рентгеноспектрального анализа.

Метод интерференции основан на дифракции[15] рентгеновских лучей, проходящих через кристаллическую решетку вещества.

Каждый атом становится центром рассеивания рентгеновских волн. Эти волны, интерферируя между собой, дают по определенным направлениям максимумы. Если максимумы зафиксировать на фотопластинке, то кроме центрального пятна от луча на ней будут видны менее интенсивные закономерно расположенные пятна лучей, испытавших дифракцию. По их положению и относительной интенсивности можно составить представление о расположении рассеивающих центров в кристаллической решетке. Для каждого типа решетки и минерала наблюдается своя индивидуальная дифракционная картина. Это позволяет определить минералы и изучить их кристаллическую структуру.

Установлено, что не только один большой кристалл, но и совокупность хаотично расположенных кристаллов при просвечивании вызывает появление на пленке резких интерференционных колец. Обычно просвечивается небольшой объем порошка исследуемого вещества. Порошковый метод применим для всех кристаллических тел. Отсутствие интерференционных колец показывает, что тело находится в аморфном состоянии. Этим методом можно изучать кристаллическую решетку минералов, упругие и пластические деформации в кристаллах, мгновенные напряжения и минеральный состав пород.

Изучение минерального состава возможно потому, что рентгенограммы смеси минералов накладываются друг на друга без взаимных возмущающих эффектов. Сравнение полученной рентгенограммы с рентгенограммами чистых минералов позволяет судить о наличии примесей.

На рентгенограмме могут отражаться лишь явления, которые вызывают изменение кристаллической решетки и, наоборот, не отражаются явления, не вызывающие ее изменения. Поэтому с помощью интерференционного метода можно диагностировать минералы независимо от огранения кристаллов.

Если метод интерференции позволяет получить сведения о характере химической связи в минерале, то рентгенографический спектральный анализ дает возможность установить наличие всех находящихся в минерале элементов независимо от характера химического соединения.

Рентгенографический спектральный анализ основан на том, что при определенных условиях все атомы испускают характерное рентгеновское излучение.

Исследуемый минерал помещают в антикатод рентгеновской трубки, бомбардируют быстрыми электронами и наблюдают первичный спектр испускания лучей.

Практически методом рентгенографического спектрального анализа можно обнаруживать элементы, обладающие большим атомным весом, чем у калия.

Для исследования химического и минерального составов пород используют также оптический спектр сжигаемых минералов (эмиссионный метод), термографию (регистрация температурных изменений при нагреве минералов) и др.