Физика горных пород. 2

Министерство Образования  и Науки Республики Казахстан

Карагандинский Государственный  Технический Университет

                                                                                     кафедра___________

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине:_______________________________________________

на тему________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

                                                                              Выполнил:_______________

                                                                                _________________________

                                                                               Принял:__________________

                                                                                _________________________

Караганда 2013 г.

Содержание

1. Строение и состав минералов и горных пород

1.1. Понятие о горной породе, её составе, структуре и текстуре

1.2. Понятие о минерале, его составе, структуре и текстуре

2. Упругие и пластические свойства пород.

2.2. Понятие упругости  пород

2.3. Понятие пластичности  пород

3. Дефекты в породах, их роль и влияние на прочность горных пород

3.1. Напряжение в горных  породах

3.2. Дефекты в горных  породах

4. Диэлектрическая проницаемость пород.

4.1. Диэлектрическая проницаемость горных пород и принцип её измерения

4.2. Поляризация пород

Список литературы

1. Строение и состав минералов и горных пород.

1. Понятие о горной  породе, её составе, структуре  и текстуре

Горные породы — природные  минеральные агрегаты, слагающие литосферу Земли в виде самостоятельного геологического тела. Традиционно под горной породой подразумевают только твёрдые тела, в широком понимании к горным породам относят также воду, нефть и природные газы. Согласно современным представлениям, горные породы сложены верхней оболочкой планет земной группы, а также Луной и астероидами.

Термин "горная порода" впервые ввёл в геологическую  литературу русский геолог В. М. Севергин (1798). Науки, изучающие горные породы, — петрография, литология, петрофизика и физика горных пород.

Состав, строение, структура, текстура и условия залегания  горных пород находятся в причинной  зависимости от формирующих их геологических  процессов, происходящих в определенных физико-химических условиях. Горные породы могут слагаться как одним минералом, так и их комплексом. В природе известно свыше 3000 минералов, однако число породообразующих минералов невелико (40-50). Реальные сочетания этих минералов определяются физико-химическими процессами породообразования и геохимическими законами распространения породообразующих элементов.

Все горные породы обладают комплексом морфологических особенностей, которые объединены в понятия  структуры горных пород и текстуры горных пород. Наряду с химическим и  минеральным составом структура  и текстура являются важнейшими диагностическими признаками горных пород.

По происхождению горные породы делят на три класса: осадочные горные породы, магматические горные породы и метаморфические горные породы. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных, которые, однако, занимают около 75% площади земной поверхности. Практически все горные породы могут быть использованы как полезные ископаемые. К рудам относят горные породы с кондиционным содержанием ценных компонентов. С развитием технологии (и изменением кондиций) всё большее число горных пород вовлекается в промышленное производство (например, при получении глинозёма из плагиоклаза рудой является такая распространённая на Земле горная порода как анортозит). Большинство горных пород применяется в народном хозяйстве в качестве строительного и горно-химического сырья.

Как физические тела горные породы характеризуются плотностными, упругими, прочностными, тепловыми, электрическими, магнитными, радиационными и другими свойствами.

Свойства горных пород  обусловлены их составом и строением, а также термодинамическими условиями. Увеличение пористости приводит к снижению плотности, прочностных и упругих свойств, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости и увеличению влагоёмкости, водопроницаемости. Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения, модуль объёмного сжатия и др., определяются минеральным составом пород; прочность, упругость, теплопроводность, электропроводность зависят от строения и минерального состава пород. Механические свойства в первую очередь обусловлены силами связей между частицами породы, тепловые и электрические — ориентировкой минеральных зёрен, наличием непрерывных проводящих каналов в горных породах. Наличие преимущественной ориентировки зёрен, трещин, пор, слоев, прожилков приводит к анизотропии горных пород. При этом модуль продольной упругости, предел прочности при растяжении, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость больше вдоль слоистости, а предел прочности при сжатии — поперёк слоистости.

На свойства горных пород  оказывает влияние размер зёрен, из которых они сложены. У мелкозернистых горных пород выше прочностные и  упругие свойства, ниже электропроводность и теплопроводность. Наличие аморфной, стекловидной фазы в породах снижает  их прочность, теплопроводность. Горные породы, как правило, плохие проводники тепла и электричества. Большей  теплопроводностью и электропроводностью  обладают малопористые породы, содержащие минералы-проводники (рудные минералы, графит и т.п.). По магнитной восприимчивости большинство горных пород относится к диа- и парамагнетикам; ферромагнитные минералы — магнетит, гематит, пирротин и др. Упругие свойства пород определяют величину параметров акустических свойств, электрические и магнитные свойства горных пород — электромагнитные свойства.

Свойства горных пород  зависят также от механического, теплового, электрического, магнитного, радиационного воздействий и  насыщения пород жидкостями, газами и т. д. При насыщении скальных пород водой увеличиваются упругие  параметры, теплопроводность, теплоёмкость, электрическая проводимость; при  насыщении водой пород, в состав которых входят легкорастворимые минералы, а также глинистые породы их упругие  и прочностные свойства уменьшаются. Изменение свойств пород под воздействием давления вызвано уплотнением пород, деформацией пор, увеличением площади контакта зёрен. С увеличением давления обычно возрастают электропроводность, теплопроводность, прочность и т. д. Повышение температуры, как правило, снижает упругие и прочностные и усиливает пластичные характеристики пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает теплоёмкость, электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или 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 а-кварца в Я-кварц (573° С). Воздействие тепла приводит также к спеканию, дегидратации, плавлению, возгонке, испарению отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород. В результате воздействия полей на частицы пород происходит их электрическая и магнитная переориентировка (поляризация и намагничивание), возбуждение электронов и ионов. Например, повышение напряжённости приводит к росту электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости.

Как объект горных разработок горные породы подразделяются на скальные, полускальные, плотные, мягкие, сыпучие, разрушенные и характеризуются  различными горно-технологическими свойствами — крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью. Всю совокупность физических и горно-технологических свойств горных пород, описывающих их поведение в процессах разработки месторождения, принято называть физико-техническими свойствами пород. Горно-технологические параметры являются комплексными показателями горных пород и используются для расчётов производительности различных агрегатов, нормирования труда горнорабочих и т. д. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по горно-технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко применяется классификация горных пород по крепости, предложенная профессором М. М. Протодьяконовым-старшим). Физико-технические свойства горных пород определяют технологию разработки месторождений полезных ископаемых, являются источником информации в разведочной геофизике и инженерной геологии. Закономерности изменения физико-технических параметров горных пород от внешних воздействий используются для создания новых методов разрушения и переработки полезных ископаемых.

1.2. Понятие о минерале, его составе, структуре и текстуре

Минерал (от cp.-век. лат. minera — руда * а. mineral; н. Mineral; ф. mineraux; и. minerales) — физически и химически индивидуализированное, как правило, твёрдое тело, относительно однородное по составу и свойствам, возникшее как продукт природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности и в глубинахЗемли, Луны и других планет, обычно представляющее собой составную часть горных пород, руд и метеоритов.

Большинство минералов кристаллические вещества (или ранее находились в кристаллическом состоянии, но утратили его в результате метамиктного распада). Однако по традиции в число минералов включаются и некоторые природные аморфные образования (опал, аллофаны), а также немногие жидкие минералы (и металлы) — самородная ртуть и некоторые амальгамы. Аморфные и высокодисперсные тела в отличие от кристаллических минералов называются минералоидами. За редким исключением минералы — неорганические соединения, однако многие минерологи склонны считать минералы и природные органические кристаллические вещества (соли органические кислоты — оксалаты, меллит, жюльенит и др.), а также некоторые твёрдые углеводороды и ископаемые смолы — сукцинит и другие компоненты янтаря. Воду не считают минералом, но все полиморфные модификации льда суть минералов; вулканические и импактные стёкла относятся к горным породам, а лешательерит (природный стеклообразный кремнезём) — к минералам.

Среди минералов различают  минеральные виды и разновидности. Первые — индивидуальные природные  химические вещества, резко различающиеся  по составу и (или) структуре, вторые — это вариации одного минерального вида: цветовые, морфологические, а  иногда и по химическому составу (без изменения кристаллической  структуры) или по структуре при  постоянстве состава (политипы у  минералов со слоистой кристаллической  решёткой). Политипы в современной систематике рассматривают как структурные разновидности или подвиды одного минерального вида (поскольку они часто сосуществуют, встречаясь даже в составе одного кристалла, например слюды или сфалерита), тогда как полиморфные модификации, возникающие при фазовых переходах и имеющие определённые поля устойчивости, относятся к самостоятельным минеральным видам. Структурными разновидностями считаются также энантиоморфные формы минералов (например, правый и левый кварц). Общее число известных минеральных видов около 3000. В соответствии с бурным развитием науки и техники количество открываемых минералов резко возросло. К началу 19 века было известно менее 100 минеральных видов, за первые 20 лет 19 века открывалось в среднем 4-5 новых минералов в год, за последующие 100 лет — по 9-10, далее до 1960 — по 14-15 и в последние 25 лет — в среднем по 40-50 (от 20-25 до 80-100) минералов ежегодно.

Минеральный индивид —  мономинеральное тело ограниченной протяжённости (кристалл, зерно или  иное выделение), отделённое от соседних подобных тел непрерывными физическими  поверхностями раздела, замкнутыми в пространстве. Размеры минеральных  индивидов варьируют в широком  диапазоне — от 1-100 нм (коллоидные минералы) до 10 м (кристаллы сподумена в пегматитах); известны кристаллы кварца и полевого шпата массой в несколько тонн. Срастания минеральных индивидов одного состава образуют мономинеральный агрегат. Понятие минералов употребляется в различных значениях: оно может относиться к минеральному виду, разновидности, индивиду и мономинеральному агрегату. Самостоятельные названия получают как минеральные виды, так и разновидности; но открытием новых минералов считается только открытие нового минерального вида.

Современными методами установлено, что строение реальных минералов  значительно сложнее, чем это  следует из определения понятия  минералов, постулирующего относительную  однородность состава и структуры  минералов. Выяснилось, что в очень  многих случаях различные элементы-примеси  входят в состав минералов в неизоморфной форме. Большинство минералов, особенно непрозрачных или слабопросвечивающих, обнаружило микро- гетерогенное строение; почти в любом их "минеральном индивиде" приходится различать матрицу, принадлежащую одному минеральному виду, и мельчайшие, микро- или субмикроскопические включения, относящиеся к другим минеральным видам. Происхождение включений различно: они появляются в результате захвата растущим индивидом минералов-"хозяина" инородных дисперсных минеральных частиц (например, титановые минералы в кварце или корунде; танталониобаты, апатит и породообразующие силикаты в магнетите); как эндотаксические вростки — продукты распада твёрдых растворов, что находит выражение в специфических структурах (например, ильменит или ульвит в магнетите); вследствие перехода минералов в метамиктное состояние (например, возникновение фаз простых оксидов в глубокометамиктных титано-тантало-ниобатах); при образовании неполных псевдоморфоз, т.е. при метасоматических процессах, включая гипергенные изменения минералов (реликты первичных минералов во вторичных и т.п.); путём раскристаллизации захваченных включений минералообразующих сред (расплавов, флюидов) или как сохранившиеся внутри кристаллов минералов реликты тех соединений, в форме которых происходил перенос вещества в ходе минералообразования (например, включения гидростаннатов в касситерите). В зависимости от способа образования минеральных включений они могут распределяться в матрице минералов закономерно (эпитаксия, синтаксия) или беспорядочно. Помимо твердофазных включений в минералах, в т.ч. и прозрачных (например, в кварце), обычно присутствуют газово-жидкие включения минералообразующих сред. В результате обычные химические анализы минералов фиксируют лишь валовой состав минеральных систем (минералы + различные виды микровключений).

Структура.

В зависимости от химического  состава минералов и физико-химических параметров находится тип химической связи между отдельными элементами и, как следствие, закономерность их пространственного распределения  в кристаллической структуре  минералов. Значительное изменение  состава вызывает морфотропное изменение структуры и переход к веществу с новой структурой, т.е. к другому минералу. Изменение физико-химических параметров может привести к полиморфному переходу типа а-кварц-Я-кварц (повышение температуры), андалузитсиллиманит (повышение температуры) кианит (повышение давления). Обычные отклонения реальной структуры минералов от идеальной — вакансии в отдельных узлах кристаллической решётки, связанные с появлением, например, примесей в междоузлиях, изменением валентности части катионов (анионов). Упорядочение ваканский может приводить к увеличению одного из параметров элементарной ячейки, к появлению сверхструктур, переходу, например, от слоистых структур (талька — пирофиллита) к ленточным (честерит — джимтомпсонит — амфиболы) и т.п. В кристаллохимическом отношении среди минералов преобладают кристаллические структуры с ионным и ковалентным типами химической связи, менее распространены — с металлическими и молекулярными решётками (сера самородная, реальгар, аурипигмент). В результате различных дефектов (вакансий, примесных, радиационных и других дефектов, вхождения посторонних ионов или молекул, например воды в каналы и другие полости решётки, изменения зарядакатионов и анионов и т.д.) и дислокаций кристаллы минералов могут приобретать блочное строение.

Реальные минералы образуют иногда т.н. упорядочивающиеся серии (например, полевые шпаты), когда распределение различных катионов по структурным позициям в той или иной степени отклоняется от правильного порядка, присущего идеальным кристаллам, и с понижением температуры проявляет тенденцию к упорядочению. Не менее широко распространены явления распада твёрдых растворов (смешанных кристаллов), находящие выражение в специфических структурах минералов.

Для минералов со слоистыми  кристаллическими решётками (например, слюд, молибденита, сфалерита, глинистых минералов, хлоритов, графита и др.) характерно явление политипии, при котором смежные слои (или пакеты слоев) оказываются несколько повёрнутыми один относительно другого. В результате такого поворота возникают политипные модификации (или политипы), элементарные ячейки которых имеют одинаковые параметры по двум осям и различные — по третьей. Образование политипов объясняется условиями роста кристаллов (в частности, кинетическими факторами и механизмом спирального роста). Политипия может приводить к изменениям симметрии кристаллов минералов, вплоть до перемены их сингонии, но не сопровождается существенной перестройкой кристаллической структуры.

В случае изоморфных рядов  при выделении минеральных видов  руководствуются следующими правилами: в двухкомпонентных (бинарных) твёрдых  растворах различают два минеральных  вида (с содержанием конечных членов от 0 до 50 и от 50 до 100 молекулярных %), в трёхкомпонентных — три. Ранее  и в бинарных изоморфных смесях выделялось по три минеральных вида, названия которых закрепились в минералогической номенклатуре (например, ряд вольфрамита: ферберит— вольфрамит — гюбнерит). Наряду с этим в минералогии бытуют и некоторые другие принципы выделения минеральных видов. Так, если представители данного ряда имеют особое значение по распространённости и отдельные промежуточные члены ряда твёрдых растворов типичны для определённых парагенезисов, выделение минерального вида становится более дробным и часто базируется на номерной основе. Примером являются плагиоклазы, среди которых выделяют альбит(№ 0-10; № отвечает содержанию анортитового компонента в молекулярном %), олигоклаз (№ 10-30), андезин (№ 30-50), лабрадор (№ 50-70), битовнит (№70-90), анортит (№90-100).

Кристаллы реальных минералов  часто обнаруживают зонарное или секториальное, блочное или доменное строение; изоморфные примеси могут распределяться в них статистически (беспорядочно), занимать строго определённые структурные позиции или группироваться в кластеры; обнаружено вхождение в минералы примесных компонентов в форме плоских встроек и т.д. Чрезвычайно характерны для кристаллов многих минералов (кварца, полевых шпатов и др.) весьма многообразные явления двойникования, часто полисинтетического. Двойникование подобно распаду смешанных кристаллов фиксируется на разных уровнях — от макроскопического до субмикроскопического и доменного.

Изучение реального строения и состава кристаллов минералов  даёт важную информацию об условиях минералообразования.

Морфология минералов  зависит от их внутреннего строения и условий образования (термодинамического и кинетического факторов, состава  минералообразующей среды). Различают несколько типов облика кристаллов минералов: изометричный, таблитчатый, листоватый и чешуйчатый, длинно- и короткостолбчатый, шестоватый и игольчатый, дощатый и др. Более строго (по преобладающим на кристалле граням — т.н. габитусным формам) определяется габитус кристаллов: кубический, октаэдрический, пентагондодекаэдрический, кубооктаэдрический, ромбоэдрический, призматический и другие. При различных условиях один и тот же минерал может образовывать кристаллы различного облика (апатит — длинно- и короткостолбчатые, игольчатые, таблитчатые, фенакит — от изометрического до игольчатых и т.д.), а иногда, сохраняя свой облик (например, изометрический), меняет габитус (например, флюорит — от октаэдрического до кубического). Часто даже в одном месторождении последовательные генерации одного минерала резко меняют свой облик и габитус, образуя т.н. эволюционный кристалломорфологический ряд. Форма кристаллов минералов — его типоморфный признак.

Быстрая кристаллизация минералов  приводит к искажению формы их кристаллов, возникновению скелетных, дендритных, нитевидных форм, сферо-кристаллов. Кристаллы минералов нередко несут на гранях характерную штриховку, фигуры роста и растворения. Массовая кристаллизация (например, при образовании изверженных горных пород) создаёт обстановку стеснённого роста, и минералы образуют зёрна неправильной формы. Детальное изучение форм выделений минералов, скульптуры на гранях их кристаллов, явлений двойникования, кристаллов-фантомов и т.д., прослеживание морфологической эволюции минералов в процессе их образования (кристалло-морфологический и онтогенический анализ) позволяют воссоздать историю формирования минеральных индивидов. Среди кристаллических минеральных индивидов различают: кристаллы нормальные, т.е. плоско- и полногранные разного облика, определяющегося составом и условиями образования, скелетные (рёберные), блочные, скрученные, расщеплённые, дендритные (расщеплённые скелетные кристаллы); сферокристаллы, возникающие при объёмном расщеплении кристаллов вплоть до образования круглых кристаллических индивидов [особенно характерных для стильбита и Mg (Mn) — кальцита]; сферолиты, образованные расходящимися из центра пучками тончайших волокон, игл, столбчатых, пластинчатых и более крупных составных частей; сфероидолиты, отдельные волокна, иглы которых не прямые, как в сферолите, а изогнуты к периферии; и те и другие имеют круглую поверхность, причём сферолиты часто шарообразны.

Значительно чаще, чем отдельные  кристаллы минералов, встречаются  их сростки (минеральные агрегаты), как закономерно ориентированные (двойники, эпитаксия и синтаксия, симплектитовые и топотаксического срастания), так и лишённые взаимной ориентировки. Блочные, скрученные, дендритные и расщеплённые кристаллы, сферокристаллы, сферолиты и сфероидолиты могут рассматриваться одновременно как индивиды, из которых слагаются более сложные агрегаты, и как минеральные агрегаты, состоящие из отдельных индивидов — волокон, игл и т.д. К минеральным агрегатам относятся друзы нормальных кристаллов, корки расщеплённых кристаллов, сферо-кристаллов, сферолитов. Все они образуются на относительно плоском основании. На основаниях иной формы могут возникать, например, псевдосталактиты, представляющие сферолитовые корки, возникающие вокруг волосовидных и других оснований (игольчатых минералов и остатков от растворениявмещающей породы и т.п.). Минеральные индивиды и минеральные агрегаты слагают минеральные тела. К малым минеральным телам относят, например, коралиты, сталактиты, сталагмиты, пизолиты, кокарды, гнёзда, жеоды, конкреции, к крупным — жилы, рудные столбы, пласты, залежи, некки, силлы, батолиты, лакколиты и т.д.

Классификация. 

Попытки систематизации минералов  на различной основе предпринимались  уже в античном мире. Первоначально (от Аристотеля до Ибн Сины и Бируни) их делили по внешним признакам, иногда привлекая и генетические элементы, зачастую самые фантастические. Начиная с позднего Возрождения и вплоть до начала 19 в. доминировали классификации, основанные на внешних признаках и физических свойствах минералов Во 2-й половине 19 — начале 20 вв. исключительное распространение получили химические классификации минералов (труды П. Грота, В. И. Вернадского, П. Ниггли и др.). С 20-х гг. 20 в. всё большую роль начинают играть кристаллохимические классификации, в которых за основу принимаются в равной мере химический состав и кристаллическая структура минералов. В современной минералогии имеется много различных вариантов минералогической систематики. В CCCP наиболее распространена классификация минералов на типы и классы по химическому составу.

Более мелкие таксоны внутри классов (подклассы, отделы, группы и  др.) выделяют по типу структуры (силикаты) и в соответствии со степенью усложнения состава. При выделении дробных  таксонов основываются также на группировке  близких в геохимическом и  кристаллохимическом отношении  катионов и анионов. Ведутся специальные  исследования в направлении создания естественной генетико-структурной  и химико-структурной систематики  минералов.

2. Упругие и пластические свойства пород.

2.2. Понятие упругости  пород.

В общепринятом смысле упругость  – это свойство тел после снятия напряжения восстанавливать свою форму  без остаточной деформации. Деформация упругих тел описывается законом  Гука, т.е. относительная деформация x пропорциональна приложенному напряжению σ:

σ = Е ·x

Где Е - модуль Юнга, характеризует упругость тела. Классический пример упругого тела – пружина. Чем сильнее вы её растягиваете (сжимаете), тем больше она удлиняется (укорачивается). Как только вы перестаете на неё воздействовать она возвращается в первоначальное состояние (к первоначальной длине).

Наряду с модулем Юнга упругие свойства горных пород описываются  коэффициентом Пуассона m. Он является коэффициентом пропорциональности между относительными продольными и поперечными деформациями.

где x_x и x_y продольная и поперечная деформация породы соответственно.

Коэффициент Пуассона для большинства минералов и  горных пород находится в интервале 0,2–0,4. Исключением является кварц, у которого из-за специфики строения кристаллической решетки m достигает 0,07.

Большинство минералов подчиняются  закону Гука. Кристаллы ведут себя как упругие тела и разрушаются минуя пластическую деформацию, когда напряжение достигнет предела прочности.

В таблице приведены модули Юнга для некоторых горных пород, полученные при одноосном сжатии.

Модули упругости некоторых  горных пород

Данные таблицы показывают зависимость модуля Юнга от минералогического  состава породы. Но какую-то закономерность здесь проследить сложно. Обратим  внимание на ряд факторов, от которых  зависят упругие свойства пород. Породы одинакового минералогического  состава, но разной степени уплотнения имеют разную упругость (чем больше уплотнение, тем больше упругость). Т.к. уплотнение горных пород растет с глубиной их залегания, модуль упругости одноименных пород также увеличивается с глубиной. Как правило модуль упругости уменьшается с увеличением пористости пород. Он также уменьшается с увеличением увлажненности пород.

Заметное влияние на упругость  горных пород оказывает текстура. Обычно в породах с явно выраженной слоистостью или сланцеватостью (глинистые сланцы) в направлении  перпендикулярном к сланцеватости  модуль Юнга меньше, чем в направлении  параллельном ей. Установлено, чем меньше размер кристаллов в горных породах, тем больший модуль упругости  они имеют.

С увеличением  глубины залегания горных пород  возрастает температура и давление всестороннего сжатия. Под их действием  такие упруго–хрупкие породы как  граниты, кристаллические сланцы приобретают  пластические свойства. В результате для объемного разрушения горной породы требуется большее время  контакта зубца с породой, а следовательно, меньшая частота вращения долота. Таким образом, свойства горных пород влияют на выбор параметров режима бурения.