Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Горные породы, природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин «Горные породы» впервые в современном смысле употребил (1798) русский минералог и химик В. М. Севергин. Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц горных пород обусловливают её структуру и текстуру. По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы. В глубоких частях земной коры магма охлаждается медленно, хорошо раскристаллизовывается, и из неё формируются кристаллические зернистые породы, называемые интрузивными (граниты, сиениты, диориты и др.). Эти породы залегают в земной коре в виде батолитов, штоков, лакколитов и других тел. Магма, излившаяся на земную поверхность в виде лавы вулканов, остывает быстро (часть её может не раскристаллизоваться, а затвердеть в виде вулканического стекла), образуя эффузивные, или излившиеся, горные породы (базальты, андезиты, липариты и др.), а также вулканические туфы, представляющие собой сцементированные твёрдые продукты вулканических извержений (пепел, лапилли, вулканические бомбы и др.). Эффузивные породы часто залегают в виде лавовых потоков и покровов. Главными породообразующими минералами магматических горных пород являются алюмосиликаты и силикаты (полевые шпаты, кварц, слюда и др.).

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) — грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы — дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы — продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли), при участии организмов (например, кремнистые породы), накопления органических вещества (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки). Промежуточное положение между осадочными и вулканическими породами занимает группа эффузивно-осадочных пород. Между основными группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. Характерной особенностью осадочных горных пород, связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных пластов.

Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы, а также воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактный метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма — высокие температуры и давления. Для регионально метаморфизованных горных пород характерны сланцеватость, наличие ряда специфических минералов (кордиерит, андалузит, кианит и др.), а также структуры, иногда сохраняющие следы структур исходных пород (так называемые реликтовые структуры). Типичными метаморфическими горными породами являются разные по составу кристаллические сланцы, контактовые роговики, скарны, гнейсы, амфиболиты, мигматиты и другие. Различие в происхождении и, как следствие этого, в минеральном составе горных пород резко сказывается на их химическом составе и физических свойствах.

Химический состав магматических горных пород, сложенных главным образом силикатными минералами, характеризуется большим богатством кремнёвой кислоты. По содержанию SiO2 магматические горные породы делятся на кислые (свыше 65%), средние (55—65%) и основные (менее 55%). Кроме того, выделяются более редкие, очень богатые SiO2, ультракислые породы (некоторые аплиты) и ультраосновные, содержащие менее 45% SiO2 и очень много окиси магния. Породы, богатые щелочными металлами, выделяют под названием щелочных. Породы, различающиеся по содержанию главных элементов, отличаются и по содержанию элементов-примесей. Так, к кислым породам приурочены повышенные концентрации Be, W, Sn, Pb, Zn, Cu, Au и др., а к основным — Ni, Cr, Pt. К щелочным породам часто приурочены большие концентрации фосфора. Помимо общей распространённости различных элементов, наблюдается специфическая приуроченность отдельных элементов и рудных месторождений к породам какого-либо региона (так называемая металлогеническая специфика интрузивов). Химический состав осадочных горных пород отличается от пород магматических гораздо большей дифференцированностью, широким диапазоном колебаний в содержании породообразующих компонентов [напр., SiO2 изменяется от 0 (соли) до 100% (чистые кварцевые пески), CaO — от долей процента (чистые каолиновые глины) до 56% (известняки) и т. п.] повышенным содержанием воды, углекислоты, органического углерода, «избыточных летучих» (S, Cl, В и др.), а также высокими отношениями окисного железа к закисному. Метаморфические горные породы по составу близки к материнским осадочным или магматическим, хотя в них, в процессе перекристаллизации или метасоматоза, могут концентрироваться многие рудные элементы, создавая рудные месторождения.

Как физическое тело горные породы характеризуется группой базисных свойств, в которую входят плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства. Ниже приведены наиболее вероятные пределы изменения базисных свойств горных пород:

  • Пористость                                                                            до 60%
  • Плотность                                                                             800—8000 кг/м3
  • Модуль Юнга                                                                         10—200 Гн/м2
  • Коэффициент Пуассона                                                          0,07—0,38
  • Предел прочности на сжатие                                                 до 500 Мн/м2
  • Предел прочности на растяжение                                          до 20 Мн/м2
  • Удельная теплопроводность                                                  0,1—10 вт/(м•К)
  • Коэффициент линейного расширения                                    1×10-6¾9×10-5 1/°C
  • Удельное электрическое сопротивление                               10-3—1014 ом×м
  • Относительная диэлектрическая проницаемость                    2—30
  • Относительная магнитная проницаемость                              0,9998—4

Свойства горных пород обусловлены их минеральным составом и строением, а также внешними условиями. Важными параметрами, определяющими свойства Г. п., являются её пористость и трещиноватость. Поры могут быть частично заполнены жидкостью, поэтому свойства горных пород зависят одновременно от свойств твёрдой, газообразной и жидкой фаз и их взаимного соотношения. Пористость и трещиноватость особенно важны при оценке горных пород как коллекторов нефти и воды, а также скорости их притекания к источнику, буровой скважине и так далее. Ею же определяются влаго- и газоёмкость горных пород и их водо- и газопроницаемость. В магматических горных породах количество газовых пустот может достигать 60—80% (пемзы и пемзовые туфы). В осадочных горных породах поры создаются в момент осадкообразования (межзерновые поры) и могут закрываться или сохраняться при цементации. Большое количество пор возникает при накоплении пористых зёрен (раковины радиолярий и диатомовых). Метаморфические горные породы обычно бедны порами и имеют только трещины, вызываемые охлаждением горных пород.

С пористостью и минеральным составом тесно связана плотность горных пород, которая в породах, лишённых пористости, определяется слагающими их минералами. Рудные минералы имеют высокую плотность (до 5000 кг/м3 у пирита и 7570 кг/м3 у галенита); меньшая плотность характерна для минералов осадочных пород (например, каменная соль имеет плотность 2100 кг/м3). Плотность горных пород из-за пористости может сильно отличаться от плотности слагающих её минералов. Так, пемзовые туфы Армении имеют плотность около 800—900 кг/м3, граниты, мраморы, плотные известняки и песчаники — около 2600 кг/м3. Плотность горных пород легко рассчитывается по минеральному составу и пористости; возможны и очень полезны обратные расчёты.

Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения и других определяются в первую очередь минеральным составом, прочностные же и упругие свойства горных пород, их теплопроводность и электропроводность зависят главным образом от строения пород и особенно сил связей между зёрнами. Так, наличие преимущественной ориентировки зёрен приводит к анизотропии свойств. В создании анизотропии свойств может участвовать также ориентированная трещиноватость.

Свойства горных пород, определённые вдоль и поперёк слоистости или прожилковатости, как правило, отличаются друг от друга. При этом модуль Юнга, предел прочности на растяжение, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемости больше вдоль слоистости, а предел прочности на сжатие — поперёк слоистости. У мелкозернистых горных пород прочностные свойства выше, а у крупнозернистых ниже. Особенно высокие значения предела прочности на сжатие имеют мелкозернистые породы с волокнистым строением (например, нефрит до 500 Мн/м2). Низкий предел прочности на сжатие имеют многие осадочные породы (каменная соль, гипс и др.). Упругие свойства пород определяют их акустические (скорость распространения, коэффициент преломления, отражения и поглощения упругих волн) и электромагнитные свойства (соответственно скорости распространения, коэффициент поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн). Горные породы, как правило, плохие проводники тепла, причём с повышением пористости их теплопроводность ухудшается. Большей теплопроводностью обладают породы, содержащие полупроводники, — графит, железные и полиметаллические руды и так далее. По электропроводности большинство горных пород относится к диэлектрикам и полупроводникам. Магнитные свойства горных пород в первую очередь определяются присутствующими в них ферромагнитными минералами (магнетит, титаномагнетит, гематит, пирротин).

Свойства горных пород зависят также от воздействия механического (давление), теплового (температура), электрического, магнитного, радиационного (напряжённости) и вещественного (насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей. При насыщении скальных пород водой увеличиваются упругие параметры, теплопроводность, теплоёмкость, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость; при насыщении водой легко растворимых минералов (галоидные соединения), а также глинистых пород их упругие и прочностные показатели уменьшаются. Изменение свойств пород под воздействием давления вызвано уплотнением пород, смятием пор, увеличением площади контакта зёрен. С увеличением давления обычно возрастают электропроводность, теплопроводность, прочность и так далее. Повышение температуры снижает упругие и прочностные и усиливает пластические характеристики пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает теплоёмкость, электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или к уменьшению упругих и прочностных свойств пород в зависимости от направления результирующих напряжений. Перестройка кристаллической решётки минералов от нагрева (полиморфные превращения и др.) вызывает аномальные точки на графике зависимости свойств от температуры. Так, для кварцитов наблюдается минимальное значение модуля Юнга и максимальное значение коэффициента линейного расширения в точке полиморфного перехода b-кварца в a-кварц (573°C). Воздействие тепла приводит также к спеканию, разложению, плавлению, возгонке, испарению отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород. Напряжённость и частота электромагнитных полей оказывают наибольшее влияние на электромагнитные и радиоволновые свойства пород. Это обусловлено энергетическим воздействием полей на частицы пород, в результате чего происходит их электрическая и магнитная переориентировка (поляризация и намагничивание), возбуждение электронов и ионов. Так, повышение напряжённости приводит к росту электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Как объект горных разработок горные породы характеризуются различными технологическими свойствами — крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью и так далее. Крепость оценивает сопротивляемость пород механическому разрушению, абразивность — способность пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и так далее. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко применяется классификация горных пород по крепости, предложенная профессором М. М. Протодьяконовым-старшим).

Изучение вещественного состава, физических и физико-химических свойств горных пород являются основным источником информации в геофизике, геологии (в т. ч. инженерной) и в горном производстве. См. также Горное дело.

Кузнецов Е. А., Петрография магматических и метаморфических пород, М., 1956; Барон Л. И., Логунцов Б. М., Позин Е. З., Определение свойств горных пород, М., 1962; Ржевский В. В., Новик Г. Я., Основы физики горных пород, М., 1967; Ронов А. Б., Ярошевский А. А., Химическое строение земной коры, «Геохимия», 1967, № 11; Справочник физических констант горных пород, пер. с англ., М., 1969; Минералы и горные породы СССР, М., 1970; Швецов М. С., Петрография осадочных пород, М., 1958; Huang W. Т., Petrology, N. Y., 1962.
Добавить комментарий