Плотность является одним из основных физических параметров вещества /4,6,8/.. Плотность – это свойство вещества, характеризующиеся отношением его массы m к занимаемому объему V

Плотность является одним из основных физических параметров вещества /4,6,8/.. Плотность – это свойство вещества, характеризующиеся отношением его массы m к занимаемому объему V:

Плотность горных пород является параметром, который определяет гравитационное поле (Федынский В.В., 1967):

Таким образом, потенциал U является ньютоновским потенциалом притяжения объемных масс, распределенных в объеме V с плотностью σ.

Плотность горной породы обозначается «σ», и определяется как отношение массы горной породы (минерала) к объему породы (минерала), т.е. отношение массы твердой, жидкой и газовой фаз к его объему:

, (2.3)

где m_п- масса образца породы, состоящей из массы твердой m_тв, жидкости m_ж и газа m_г. Объем образца V складывается из объема твердой V_тв, жидкой V_ж и газовой V_г фаз.

Отношение твердой фазы породы к занимаемому объему твердой фазы называется минеральной плотностью, и обозначается «δ»:

. (2.4)

Единицей измерения плотности в системе СГС является г/см³, в СИ – кг/м³. В полевой геофизике плотность обычно обозначается «σ», и используют единицу измерения г/см³.

Горная порода является многофазной системой, состоящей из твердой фазы (минерального скелета) и порового пространства, заполненного воздухом и жидкостью. Поры в горной породе могут сообщаться друг с другом или быть изолированы минеральным скелетом.

Пористость горной породы определяется совокупностью пустот в минеральном скелете породы и обозначается как «n»:

Отношение объема пор V_п ко всему объему образца V называется коэффициентом общей пористости:

Единицей измерения пористости и коэффициента пористости являются проценты (%).

Масса жидкой фазы определяется с введением понятия относительной влагонасыщенности образца «p». Если , то масса жидкой фазы определяется по формуле:

(2.7)

Плотность образца определяется по формуле:

Плотность водонасыщенных пород σ_в определяется отношением массы горной породы с максимальной влажностью к объему породы. Принимая σ_ж=1, p=1, определяем плотность водонасыщенного образца:

Плотность газонасыщенных σ_г пород определяется отношением массы твердой фазы горной породы к объему, лишенной поровой влаги. То есть p=0 и плотность газонасыщенного образца:

Плотность газоводонасыщенных пород σ_гв определяется отношением горной породы с лабораторной влажностью к объему породы.

С плотностью связано понятие удельного веса. Однако в отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от места измерения. Определяется как отношение веса горной породы (P) к объему породы:

, (2.12)

где g – ускорение свободного падения в данной местности. Плотность равна удельному весу вещества на ширине 45° на уровне моря.

Плотность химически простых твердых веществ характеризуется постоянным, строго определенным значением. Плотность обусловлена электронным строением и массой ядер атомов. Большая часть массы атомов (99,95-99,97%) сосредоточены в ядрах. Масса атомов каждого химического элемента численно возрастает в порядке их расположения в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Плотность элементов изменяется с определенной периодичностью. Для каждого периода (т.е. для ряда элементов имеющих одинаковые квантовые числа) наблюдается возрастание плотности и уменьшение атомного радиуса элементов в первой половине периода, и понижение плотности и увеличение атомного радиуса – во второй половине периода. Плотность увеличивается в каждой группе элементов по мере повышения атомной массы. Для каждого периода наблюдается свой уровень значений плотности, что соответствует дискретному изменению главных квантовых чисел электронов внешних орбит на единицу. Прослеживается закономерность в периодичности изменения орбитального квантового числа. Для sp–элементов наиболее существенное влияет изменение атомного радиуса. Эти элементы входят в состав большинства породообразующих минералов. Для d–элементов (все химические d-элементов принадлежат к металлам) плотность зависит преимущественно от массы ядер атомов (Дортман Н.Б., 1984).

Плотность твердых химических элементов изменяется в пределах 0,5 – 22,5 г/см³. Наименьшую плотность имеет литий – 0,53 г/см³ и калий 0,86 г/см³, наибольшую – иридий 22,5 г/см³.

Плотность воздуха при нормальных условиях (температура 20°С и давление 0,1МПа) равна 0,0012 г/см³ (Зтнченко В.С., 2005).

Для углеводородных газов метана и пентана значения плотности составляют соответственно 0,000715 и 0,000317 г/см³. Плотность природных подземных вод при нормальных условиях изменяется от значений 1,01 г/см³ (пресная вода) до 1,24 г/см³ (рассол). Дистиллированная вода при температуре 20°С характеризуется значением σ, равным 0,9982 г/см³ .

Плотность нефти в зависимости от ее химического состава меняется в пределах 0,5-1 г/см³ .

2. 
   Плотность минералов
   

Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи.

Породообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.

Плотность рудных минералов в основном зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. Увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения массы при подчиненном влиянии структуры, что соответствует электронному строению атомов типа d для хрома, железа, свинца и других тяжелых элементов. Для них характерно ковалентно-металлическая и ионно-металлическая химическая связь. Значения плотности составляют 3,5-7,5 г/см³ . Самородные минералы (золото, серебро, платина, медь и др.) с металлической связью имеют самые высокие значения плотности (золото 19,32 г/см³ , серебро – 10,5 г/см³, медь 8,9 г/см³).

Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см³) и графит (2,23 г/см³), пирит (2,013 г/см³) и марказит (4,875 г/см³), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см³) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см³). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа*, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.

Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см³).

Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Наиболее типичные значения плотности минералов и пределы вариации плотности приведены в таблице 2.1 (использованы данные Н.Б.Дортман, 1984).

Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см³ (лед) до 22,5 г/см³ (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные ( >4 г/см³), средние (от 2,5 до 4 г/см³) и малой плотности ( <2,5г/см³ ). К плотным минералам относятся: самородные металлы, сульфиды, за редким исключением (аурипигмент, реальгар), более половины из окислов и гидроокислов, редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, ксенотим), вольфраматы, некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).

___________

* координационное число- в кристаллографии число ближайших к данной атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле, находящихся от него на одинаковом расстоянии.