Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




18.10.2017





Яндекс.Метрика
         » » Новые данные по физическим свойствам горных пород и минералов

Новые данные по физическим свойствам горных пород и минералов

16.11.2017

Интерпретация геофизических данных с выводами о петрографическом составе отдельных оболочек Земли, к сожалению, еще не имеет достаточно надежной экспериментальной основы. Физические свойства горных пород и минералов, особенно в условиях разных температур и давлений, изучены далеко не полно. В частности, недостаточно выяснена зависимость между такими факторами, как плотность, пористость минерала и плотность, пористость минерального агрегата, каковым является горная порода. Плотность горной породы или ее объемный вес определяется не только составом, но и текстурой.

Нормальный гранит при давлениях, близких к атмосферному, показывает 5 км/сек (скорость прохождения в нем упругих волн), но габброид, состоящий из основного плагиоклаза, пироксена и оливина, однако образовавшийся в гипабиссальных условиях, обладает пористостью 7,275%. Поэтому, несмотря на мафический состав породы, скорость прохождения в ней продольных упругих волн при атмосферном давлении и даже при всестороннем сжатии 500 кг/см2 не достигает 5 км/сек. Поэтому переход от упругих свойств горной породы к ее составу обязательно должен опираться на знание ее текстуры и геологической обстановки образования.

Проведенное нами в 1964 г. совещание специалистов по физическим свойствам горных пород записало в своем решении следующие важные для глубинной геологии и геофизики выводы.

«В целях избежания создания преждевременных геологических гипотез о строении земной коры и составе геофизических слоев на основе данных скоростных разрезов коры и верхней мантии рекомендуется не применять обозначений "гранитный" и "базальтовый" для отдельных слоев земной коры, выделяемых по данным геофизики. До получения достаточного количества данных по физическим свойствам главных типов горных пород и минералов при разных давлениях и температурах, обеспечивающих правильную геологическую интерпретацию геофизических исследований, рекомендуется перейти па буквенные обозначения „геофизических" слоев земной коры.

В целях правильной интерпретации проводимых региональных геофизических исследований (профили ГСЗ, сейсморазведка, гравиметрическая и магнитометрическая съемка) считать совершенно обязательным сочетать их с параллельным изучением петрологии и комплекса физических свойств конкретных горных пород изучаемого района».

Накопленные за последнее пятилетие экспериментальные данные по упругим свойствам горных пород (Берч, М.П. Воларович и др.) со всей определенностью свидетельствуют о громадном значении давления на физические параметры горных пород, и в первую очередь па скорости прохождения и них упругих волн. Оказалось, что породы различного состава и текстуры при атмосферном давлении значительно сильнее отличаются по упругим свойствам, чем те же горные породы, находящиеся в напряженном состоянии под давлением 1000 кг/см2 и даже при 500 кг/см2. Отсюда буквально для всех пород, подвергающихся эксперименту, выявлено резкое увеличение скоростей упругих волн па первом этапе сжатия — до 1000 кг/см2. Далее при повышении давления до 10 000 или даже до 20 000 бар кривые поднимаются очень полого.

Совсем другая картина кривых получается, если подвергнуть всестороннему сжатию образец плотного вулканического стекла. В опытах Берча были исследованы диабазовое стекло и обсидиан. Результаты поразительны. В этих породах при давлении 1 атм и до 10 000 атм скорость прохождения упругих волн остается постоянной, что связано с отсутствием трещиноватости и микропористости материала. На фиг. 5 изображены кривые изменения скоростей упругих волн в горных породах в зависимости от величины давления. На фиг. 6 приведены кривые, показывающие ход изменения скоростей упругих волн в некоторых минералах и породах при различных давлениях.

Сравнение гетерогенных агрегатов (горная порода) и однородных стекол показывает громадное значение текстурных особенностей среды, для которой экспериментально получены значения скоростей упругих волн.

В частности, скорость прохождения упругих волн в гранитах при повышении всестороннего сжатия увеличивается на 30%. Для дунитов, по данным Берча, скорости упругих волн повышаются па 20%. Таким образом, при высоких параметрах всестороннего сжатия происходит значительное сближение значений скоростей упругих волн для разных петрографических групп.

Работами наших и зарубежных ученых выявлено, что большая группа метаморфических пород имеет упругие свойства, близкие к габбро. Поэтому то, что в разрезах геофизиков часто именуется «базальтовым» слоем, в реальной геологической обстановке, вероятнее, отвечает метаморфическим породам.

В последние два года экспериментальному исследованию были подвергнуты монокристаллы минералов. Эти работы были проведены Д. Симмонс, М.П. Воларович и другими исследователями. Результаты их достаточно неожиданны. Оказалось, например, что такие минералы, как микроклип, анортоклаз и нефелин (и кварц), являются, во-первых, анизотропными и, во-вторых, в К-Na полевых шпатах скорости в некоторых направлениях оказались выше скоростей дунитов. В табл. 5 приведены экспериментальные данные по определению скорости продольных волн как при одной атмосфере, так и при всестороннем сжатии для ряда минералов, а на фиг. 7 — графики изменения скоростей продольных волн в минералах при повышении давления.

Нельзя не сказать, что анизотропия в монокристаллах для упругих свойств связана, вероятнее, с нарушениями в кристаллической сплошности кристалла. В частности, наименьшая скорость наблюдается в направлении _/_ пинакоиду (100) К-Na полевого шпата, т. е. плоскости, в которой обычно расположены пертиты, образующиеся при распаде твердого раствора альбита в ортоклазе. Поэтому анизотропия различных модификаций К-Na полевого шпата будет различной; например, у санидина или анортоклаза она априори будет незначительной. Точно так же слюды в направлении _/_ (001) показывают очень низкую скорость, что обусловлено развитием в этом направлении совершенной спайности. Надо думать, что в напряженном состоянии, при всестороннем сжатии, контакты между спайными пластинами слюды станут плотнее. Скорость Vр возрастает.

Изучение серпентинитов и силлиманитовых агрегатов также дало довольно неожиданные результаты.

а) Серпентиниты — ультраосновные породы — показали далеко не высокие значения скоростей прохождения в них упругих волн.

б) Зато силлиманитовый агрегат показал скорость упругих волн, сильно превышающую скорости в дунитах и эклогитах.

Наблюдается несоответствие между суммарной скоростью прохождения упругих волн в отдельных минеральных фазах гранита — кварца, микроклина, олигоклаза и слюд, находящихся в граните в количестве соответственно 30—30—30—10 объемн.%, и экспериментально наблюдаемой в таком граните скоростью упругих волн при давлении 1 атм. Разная (по минералу) скорость упругих волн в среднем граните должна быть порядка 6,2 км/сек. Однако в реальных гранитах, достаточно свежих, скорость упругих волн при эксперименте редко достигает 5 км/сек, т. е. она на 25% ниже расчетной. Причиной этого расхождения является отсутствие тесных контактов породообразующих минералов друг с другом, вследствие чего в породе обильны пустотки, поры, трещинки, т. е. все то, что входит в определение пористости породы. Напряженное состояние породы под давлением приводит к закрытию трещинок, сближает контакты между зернами, и, как следствие, скорости упругих волн скачкообразно повышаются на 20—30% уже при сжатии 500 кг/см2. Однако такое же явление наблюдается, хотя и в меньшей мере, и для монокристаллов; скорость упругих волн в микроклине повышается на 10—12% при увеличении давления до 600 кг/см2. Ото свидетельствует об упругости самих минералов, их вероятной сжимаемости за счет ультрапористости и дефектов кристалла. Это уплотнение и упругая сжимаемость минералов и горных пород чрезвычайно сильно сказываются на значениях скоростей продольных упругих волн при длительном нахождении в напряженном состоянии. Породы, слагающие земную кору, представляют тот случай нахождения в напряженном состоянии в течение миллионов лет, который в лабораториях моделировать невозможно. Лабораторный эксперимент показывает лишь тенденции изменения упругих свойств горных пород.