Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




18.10.2017





Яндекс.Метрика
         » » О некоторых итогах изучений физических свойств горных пород и минералов

О некоторых итогах изучений физических свойств горных пород и минералов

17.11.2017

Существующая концепция о двух типах земной коры зиждется на различиях современного скоростного разреза земной коры в пределах континентов и глубоководных частей океанов.

Представление о разделе Moxo как об условной границе коры и мантии позднее трансформировалось в безусловное, и многие ученые стали считать, что этот геофизический раздел означает границу двух сред различного петрографического состава, с породами различной плотности. Объяснение природы раздела Moxo фазовыми переходами также требовало ответа на вопрос, почему под океаном такой фазовый переход происходит на глубине 10 км, а под континентами на глубине 50 км. Гутенберг допускал возможность комбинированных эффектов для скорости прохождения упругих волн в связи с тем, что, как известно было еще в 1954 г., скорости с увеличением давления увеличиваются, а с увеличением температур уменьшаются. Это направление изучения горных пород за прошедшие 15 лет развивалось слабо. Недавно в Украинской АН были проведены единичные исследования зависимости Vp от давления при постоянной повышенной температуре (100—300°) и зависимости Vp от t° при постоянном высоком давлении. He накоплен также экспериментальный материал по изучению скоростей упругих волн в горных породах, насыщенных жидкостями. В этом отношении представляют большой интерес работы М.П. Воларовича, Т.С. Лебедева и др. и Симонс. В частности, Симонс отмечает, что Vp в гранитах, насыщенных водой, значительно выше, чем в высушенных образцах.
Накопленный материал по экспериментальному изучению зависимости Vp от всестороннего сжатия для разных пород отображен кривыми фиг. 1. Из этих кривых и табличных данных видно, что наряду с давно известным фактом высоких значений Vp для несерпентинизированных дунитов (средние данные Берча), перидотитов (М.П. Воларович и др.) высокие скорости показывают такие метаморфические породы, как гранатовый амфиболит Северного Кавказа. Vp для этого амфиболита даже превышает скорость в дунитах и эклогитах. Скорости продольных волн в филлитах Северного Кавказа почти достигают средних скоростей для основных интрузивных пород габбро, норитов и других по Берчу. К сожалению, в работах Берча не приводятся данные о пористости испытанных пород, что имеет принципиальное значение. В предыдущих работах мной неоднократно отмечалось существование корреляционной зависимости между Vp и пористостью породы.
Нa фиг. 2 показаны сложные соотношения между значениями Vp и плотностью породы. Магнетитовая руда — материал высокой плотности (~5 г/см3) — дает низкие значения Vp, но монокристаллы полевого шпата со значительно более низкой плотностью (—2,6 г/см3) показывают высокие скорости прохождения в них упругих волн. Базальт Луны (на фиг. 2 «Луна») при плотности 2,8 г/см3 дает низкие скорости, что связано с его высокой пористостью (17%).
Нa фиг. 3 показана зависимость между Vp и пористостью породы и минерала. Здесь чувствуется прямая зависимость между этими параметрами. В частности, базальт Луны («Луна» — 10057) показывает Vр 3 км/сек, что объясняется высоким значением (17%) его пористости. С другой стороны, аплит с пористостью <0,5% показал Vp, превышающую 6 км/сек. Достаточно однозначно установлено, что любая горная порода, взятая из обнажения или как керн буровой скважины, содержит поры и трещинки. При всестороннем сжатии часть этого порового пространства закрывается, Vр соответственно значительно (у гранитов до 30%) возрастает. Однако время, которым располагает природа (миллионы лет существования породы при близких P-T условиях), не сравнимо с временем нахождения горной породы в напряженном состоянии при эксперименте. Поэтому в условиях эксперимента часть порового пространства остается незакрытой. Известно, что наибольшей пористостью обладают горные породы, образовавшиеся в поверхностных условиях, — эффузивы, песчаники и др. Из интрузивных пород наименьшую пористость имеют глубинные ультрабазитовые комплексы. Граниты даже глубоких докембрийских разрезов характеризуются более высокой пористостью. Для того чтобы максимально исключить влияние пористости, нами с М.П. Boларовичем, Е.И. Баюк (ИФЗ) и Б.П. Беликовым (ИГЕМ) была предпринята попытка использовать для эксперимента монокристаллы, однако из подходящих (по размерам, свежести) монокристаллов были изучены лишь микроклин, анортоклаз, олигоклаз, кварц и пирит. Данные этого исследования приводятся в отдельной совместной работе указанных авторов.

На фиг. 4 приведены предварительные данные о зависимости от всестороннего сжатия (до 15 кб) для монокристаллов олигоклаза, анортоклаза, пирита и кварца. Оказалось, что скорости прохождения Vp в олигоклазе и анортоклазе достигают при 10 кб 8 км/сек, т. е. приближаются к скоростям, характерным для ультрабазитов и эклогитов. Вместе с тем в исследованном олигоклазе определена пористость — 0,82% и плотность (объемный вес) — 2,65 г/см3. На фиг. 4 кривые для олигоклаза п анортоклаза отображают среднее значение Vp, измеренное в разных кристаллографических направлениях. Средняя Vp для двух направлений в кварце (II оптической оси и _/_ к ней) дает очень пологий ход кривой — от Vр=6,0 км/сек при 0,001 кб до Vр=6,3—6,4 км/сек при 15 кб. Как известно, кварц отличается по своим физическим свойствам (коэффициент Пуассона, термальное расширение) от других породообразующих минералов кислого ряда пород.

Известны более ранние исследования Хьюза по комбинированному влиянию давления и температуры на скорость прохождения упругих волн в горной породе.

В работе Ф. Берча приведен график (фиг. 5) изменения скорости продольных волн с глубиной в земной коре континентального типа в зависимости от давления и температуры. Из графика (фиг. 5) видно, что при t и Р, близких к P-T условиям континентального раздела Мохо, Vp для габбро снижается на 4%, а для гранитов — на 2,2%.

Т.С. Лебедев, В.И. Шаповал и В.А. Корчин (Институт геофизики АН Украины) провели предварительные исследования влияния одновременного воздействия высоких температур и давлений на изменение скоростей в горных породах, используя сконструированную ими аппаратуру. График (фиг. 6), взятый из работы Т. С. Лебедева и др., показывает зависимость значения Vp в граните (обр. 26/75): а) от давления при t=12° С и б) от температуры (30—300°); для давления 5500 кг/см2 — кривая 1 и для атмосферного давления — кривая 2. Из графика (фиг. 6) видно большое влияние повышения температуры на понижение Vp в гранитах. Уменьшение Vp при Р=5500 кг/см2 с повышением ? до 300° достигает 12,5%. Из графика (здесь невоспроизводимого) работы тех же авторов, показывающего результаты эксперимента с образцом пироксен-плагиоклазового гнейса, видно, что и для гнейса при Р=4500 кг/см2 и t=30° С Vр = 7750 м/сек, а при том же давлении и ?=300° Vp=6200 м/сек, т. е. уменьшение Vр достигает 20%. Эти предварительные данные, подтверждающие ранее известную общую тенденцию, несомненно, должны быть проверены на большом материале.

Помимо ограниченных прямых экспериментов по изучению зависимости Vр в образцах пород от давлений и высоких температур, накоплен большой материал по изучению изменения объема различных горных пород и минералов в условиях или возрастающего всестороннего сжатия, или возрастающей температуры. Значительное количество цифровых данных по изменению объема при различных давлениях приведено в работах Адамса.

В «Справочнике физических констант горных пород» под редакцией Кларка, перевод которого опубликован в СССР в 1969 г., подытожен громадный материал по прямому определению изменения объема пород и минералов от всестороннего сжатия, а также по определению значения сжимаемости в-величины, определяющей изменение объема при определенных давлениях. Изменение объема (уменьшение его) отдельных горных пород и минералов при возрастающем всестороннем сжатии оказывается различным для разных петрографических групп. У минералов гранитного ряда уменьшение объема при 10 кб давления достигает: для олигоклаза 1,75%, микроклина 1,8%, слюды 2,25% и для кварца 2,5%. Минералы пород основного и ультраосновного ряда при давлении 10 кб уменьшаются в объеме: альбит на 1,8%, лабрадор на 1,35%, актинолит на 1,3%. авгит на 1,0%, диопсид па 0,9 и оливин па 0,65%.
На фиг. 7 приведены кривые зависимости Vр — давление для дунитов (среднее по Берчу), гранита Уэстерли и для монокристаллов олигоклаза и анортоклаза. На этом же рисунке на параллельной оси ординат нанесены изменения (уменьшения) объемов минералов. На оси абсцисс отложены значения давлений в барах. Для кривых возрастания скоростей упругих волн с давлением в горных породах всегда па первом этапе сжатия наблюдается крутой подъем. Кривые уменьшения объема начинаются с нулевой точки (часто при 2000 бар), поэтому у них плавный подъем — легко закрываемая пористость закрылась при давлении, принятом за пулевое. Кривые Vр для дунитов и полевых шпатов после сжатия в 3000 бар практически идентичны, но кривая для гранита проходит ниже.

В том же монографическом сборнике сведен громадный материал по изучению термального изменения (увеличения) объема многих минералов. При нагревании объем минералов увеличивается. Пo опять же увеличение объема в функции температуры различных минералов различно. При t=600° объем оливина увеличивается на 1,83%, граната — на 1,33%, но олигоклаза — на 1,00% и микроклина — на 1,03%. Объем же кварца увеличивается почти на 4%).

На графиках фиг. 8 приведены данные М.П. Воларовича и др., показывающие зависимость Vp от давления и насыщения жидкостями в образцах детритового известняка. Аналогичные исследования провели Г.М. Авчян и А.А. Матвеенко.
В табл. 1 приведены цифровые данные М.П. Воларовича, Т.С. Лебедева и др. о влиянии водонасыщения на скорости продольных волн.

В опытах М. П. Воларовича (табл. 1) показано, что при давлении 2,0 кб в насыщенном водой детритовом известняке Vp повышается на 35% по сравнению с образцом с естественной влажностью, а при Р=4,5 кб — на 37%.

В опытах Т.С. Лебедева и др. определение Vр с различным водонасыщением (естественная влажность и влажность насыщения в кристаллических породах) (см. табл. 1) при атмосферном давлении показало увеличение в водонасыщенных гранитах на 15—20%, а в амфиболитах на 4%. Выше указывалось, что Симонс также отмечает значительное повышение скоростей продольных волн в водонасыщенных гранитах.

Все приведенные факты о влиянии водонасыщения на повышение скорости упругих волн в кристаллических породах опять же свидетельствуют о значимости пористости горных пород как одного из важнейших факторов, определяющих скорости распространения упругих волн.

В справочнике по физическим константам горных пород приведены данные о влиянии на уменьшение объема пород (а следовательно, вероятно, и на увеличение скорости упругих волн!) наличия или отсутствия оболочки на исследуемых цилиндрах.
Из табл. 2 видно, что присутствие оболочки приводит к большему уменьшению объема испытываемой породы, например, для гранита Уэстерли по данным Адамса при давлении в 4 кбар процент уменьшения объема в оболочке увеличивается на 7,8%. Это наблюдение для нас интересно тем, что оболочку на испытанных образцах мы можем в известной мере уподобить верхнему слою донных океанических отложений из глинистых пород, пропитанных водой. Передача давления океанического столба воды па нижележащие кристаллические породы через этот слой — «оболочку», видимо, также приводит к относительному повышению скоростей упругих волн в породах океанического дна по сравнению с породами континентов той же глубины среза. Для познания природы раздела Moxo как океанического, так и континентального сегмента Земли с разными P-T условиями, по-видимому, важно в будущем обратить особое внимание на возможность фазовых переходов некоторых минералов, а также на определение положения точки Кюри для магнетита в разрезах земной коры.

Из фиг. 9 видно, что точки фазового перехода а-вкварца зависят от давления. Однако точка Кюри для магнетита (573°) остается постоянной, независимой от давления, во всяком случае в тех его пределах, которые, как можно полагать, осуществляются на уровне раздела Мохо.

Вероятно, для целей интерпретации геофизических данных могут быть использованы факты перехода гипса в ангидрид (a—t=55° С и P=1 кб и b—t=70° С и Р=2 кб). При этой реакции дегидратации плотность материала увеличивается более чем на 20%, что, вероятно, ведет и к повышению скоростей упругих волн.

Представляет интерес также переход арагонита в кальцит, совершающийся при t=575° и P=12,9 кб.