Физические свойства горных пород  

  Плотность - физическое свойство горной породы, количественно оцениваемое величиной отношения массы минерального вещества без пор и пустот к ее объему.
В соответствии с плотностью наиболее распространенных породообразующих минералов плотность твердых частиц большинства грунтов изменяется от 2,5 до 2,8 г/см3. Она увеличивается с повышением содержания в грунтах тяжелых минералов. Поэтому у основных и ультраосновных пород плотность твердых частиц существенно выше (до 3,0-3,4 г/см3), чем у кислых (у гранитов - 2,63-2,75 г/см3). Наличие органических веществ резко снижает ее величину, поскольку их плотность невелика по сравнению с минеральной компонентой (плотность гумуса 1,25-1,40 г/см3).

Плотность грунта зависит от минерального состава, влажности и пористости грунтов: с увеличением содержания тяжелых минералов плотность грунта увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ уменьшается; с увеличением влажности плотность грунта возрастает; максимальной при данной пористости она будет в случае полного насыщения пор водой; с увеличением пористости плотность грунта уменьшается.
Объемная масса (объемный вес) - это масса единицы объема высушенной породы с порами в природном состоянии. Выражается объемная масса в граммах на кубический сантиметр (г/см3) или в килограммах на кубический метр (кг/м3).
Объемная масса горной породы численно всегда меньше плотности, так как масса данного материала в природном состоянии (с порами) занимает больший объем, чем такая же масса без пор. Например, объемная масса гранита равна примерно 2,6 г/см3, а плотность его 2,7 г/см3.
Свободное пространство в минеральном скелете, представленное пустотами различной формы, размера и генезиса, называется скважностью (пустотностью) горных пород и численно может быть охарактеризовано объемным коэффициентом скважности пс (общая, или абсолютная, скважность):



где Vn - общий объем всех пустот, содержащихся в данном элементе горной породы; V - объем элемента.
В зависимости от генезиса горных пород, а также размеров, количества пустот и других факторов пустоты в минеральном скелете могут быть сообщающимися между собой (открытыми) или изолированными (закрытыми). Поскольку движение подземных вод возможно только по системе связанных (открытых) пустот, так как закрытые пустоты заполнены воздухом, газом или иммобилизованной (вакуольной) водой, наряду с общим (абсолютным) значением скважности существует понятие коэффициента открытой скважности (пустотности) п , который определяется как отношение общего объема открытых (связанных между собой) пустот к объему всей породы (образца).
Так как практически во всех случаях определенная часть объема открытых пустот в минеральном скелете горных пород занята различными видами связанной воды, защемленным воз-
духом или газом и не является «открытой» для движения свободной (гравитационной) воды, наряду с понятиями общей и открытой скважности в гидрогеологии широко используется понятие активной (динамической) скважности па горных пород, определяемой как отношение объема открытых пустот, по которым происходит (может происходить) движение гравитационной воды, к объему всей породы (образца).
В общем случае величины общей, открытой и активной скважности выражаются соотношением

При этом соотношение значений открытой и активной скважности горных пород обусловлено главным образом преобладающими размерами пустот. В зависимости от диаметра D пустот или их ширины L для пустот, имеющих линейную форму, обычно различают три вида скважности (табл. 3).
Таблица 3
Виды скважности (пустотности) горных пород в зависимости от размеров (Справочное руководство, 1979)

Вид скважности

Диаметр пустот D, мм

Ширина L, мм

Соотношение открытой и активной скважности

Субкапиллярная
Капиллярная
Сверхкапиллярная

Менее 0,0002 0,0002-0,5 Более 0,5

Менее 0,0001 0,0001-0,25 Более 0,25

n lt;lt;n ; n =0
a o’ а
n lt; n
ao
n = n
ao

Очевидно, что в породах со сверхкапиллярной скважностью в пустотах крупных размеров часть свободного пространства, занятая всеми видами связанной воды, относительно ничтожна в сравнении с общим объемом пустот (па ~ по); в капиллярных пустотах в зависимости от их размеров роль связанной воды, в том числе капиллярно-связанной, может быть весьма существенной (па lt; по); в породах с субкапиллярной скважностью в предельном случае все сечение пустот минерального скелета может быть занято связанной водой.
Основными морфометрическими видами скважности горных пород, которые определяются генезисом породы и условиями ее эпигенетического преобразования, являются пористость, трещиноватость и кавернозность. В соответствии с преобладанием того или иного вида скважности (типа пустот) все горные породы земной коры подразделяются на породы (среды) пористые (поровые), трещинные, каверновые и среды более сложных переходных типов с наличием двух или более морфометрических типов скважности (порово-трещинные, трещинно-каверновые и др.).

Пористыми горными породами (в гидрогеологии чаще используются понятия «пористые среды» или «среды порового типа») называются породы, у которых свободное пространство представлено различными по размерам (условно менее 1,0 мм) пустотами изометрической формы (рис. 7).
Генетически пористость горных пород может быть представлена пустотами существенно различного типа: межзерновая пористость осадочных рыхлых и слабосцементированных пород, связанная с неплотной упаковкой зерен (частиц) мине-

Рис. 7. Характер и виды пористости горных пород (по Мейнцеру, 1933, с изменениями):
1 - хорошо отсортированные осадки с высокой пористостью; 2 - плохо отсортированные осадки с малой пористостью; 3 - осадки, пористость которых уменьшена в связи с частичной цементацией свободного пространства; 4 - высокопористые осадки, сложенные частицами чешуйчатой или листовидной формы; 5 - то же при уплотнении с резко уменьшенной пористостью; 6 - слабопористые осадки с базальным типом цемента; 7 - породы с пустотностью, определяемой процессами выщелачивания (кавернозностью); 8 - породы с пустотностью, связанной с наличием трещиноватости


рального скелета; пористость, образующаяся при остывании и связанном с этим уменьшении объема магматических горных пород, а также пористость, связанная с процессами эпигенетического изменения горных пород (перекристаллизация, выщелачивание растворимых зерен минерального скелета, разуплотнение при уменьшении давления и др.).
Характерные значения общей пористости различных типов горных пород приведены в табл. 4.
Таблица 4
Значения коэффициента пористости горных пород (Справочное руководство, 1979)

Породы

Средняя пористость, %

Свежие осадки

Илы глинистые

50,0


Торф

80,0


Различные типы почв

55,0

Породы верхней части
/>Пески
35,0

зоны выветривания

Лесс, лессовидные суглинки

45,0


Покровные суглинки

35,0


Глины

35,0

Осадочные породы

Пески рыхлые

25-35,0


Песчаники

10-20,0


Глины

20-40,0


Гипс

1,0


Мел

30,0


Опока

35,0

Метаморфические породы

Сланцы глинистые и др.

4,0


Кварциты, гнейсы, мрамор

2,0

Магматические породы

Порфириты

2,0


Граниты, сиениты

1,0


Эффузивы

2,0


Интрузивы

1,0

Основными процессами, определяющими уменьшение общей пористости обломочных пород, являются уплотнение и цементация порового пространства.
Цементация свободного пространства между зернами минерального скелета (образование глинистого, карбонатного и других видов цемента) во всех случаях приводит к относительному уменьшению пористости обломочных пород, в предельном случае до ее полного исчезновения (рис. 7).
Кавернами называются крупные (диаметром более 5 мм) изометрические пустоты, формирующиеся в минеральном скелете горных пород главным образом в результате выщелачивания легкорастворимых соединений, минеральных включений, зерен (известняки, гипсы и др.). В определенной мере формирование отдельных крупных пустот типа каверн может быть связано с уменьшением объема магматических горных пород при остывании, а также с механическим разрушением стенок трещин (узлы пересечения трещин). Наличие каверн в значительной степени увеличивает общую (открытую, активную) скважность горных пород, однако они практически никогда не являются единственным морфометрическим типом пустот, в связи с чем для большинства кавернозных пород характерны, как правило, сложные типы скважности (порово-каверновая, трещинно-каверновая). 
<< | >>
Источник: Ю.А. Гледко. Гидрогеология. 2012

Еще по теме Физические свойства горных пород  :

  1. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  2. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012
  3. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  4.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  5. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  6. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  7. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  8. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  9. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  10. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  11.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  12. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (ЭЛЕМЕНТЫ ТЕКТОНИКИ)
  13. § 3. ФОРМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
  14. ПРОЦЕССЫ ДИАГЕНЕЗА ОСАДКОВ И МЕТАМОРФИЗМА ГОРНЫХ ПОРОД
  15. § 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
  16. § 15. Требования к юридической правоспособности физических лиц. Физическое существование: возникновение и прекращение. Способы доказательства
  17. § 2. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
  18. § 2. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
  19. ПРИМЕРЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ДОРОГ В ГОРНЫХ РАЙОНАХ