Классификация пород по физическим свойствам

Содержание 

Введение…………………………………………………………..2

1.Физические  свойства горных пород………………………….3

2.Классификация  горных пород………………………………...3

   2.1.Осадочные породы………………………………………...5

   2.2.Классификация осадочных горных  пород……………....6

3.Метаморфические………………………………………………7

4.Физические  свойства горных пород………………………….8

   4.1.Классификация физических свойств  горных пород…….9

         Таблица…………………………………………………....10

5.Классификация  горных пород по физическим  свойствам…11

Заключение……………………………………………………....15

Список литературы…..........................................................16

Введение

    Физика  горных пород – научное направление в системе горных наук, обеспечивающее внедрение в различные процессы горного производства достижений фундаментальных естественных наук. К физике горных пород относится комплекс прикладных научных дисциплин: горная геофизика, физика и химия пластов и залежей, физико-технические и химические свойства горных пород и горной массы, механика и устойчивость  массивов горных пород, управление свойствами и состоянием горного массива, физика взрыва, физика процессов разрушения и упрочнения пород, физико-химические методы горных работ и др.

    В физике горных пород выделяют понятия: породный массив, горные породы в массиве, разрыхлённые горные породы (горные массы), отдельные изолированные куски (образцы) горных пород и минеральные компоненты горных пород.

    Свойства  горных пород и процессы, происходящие в них, зависят от объёма горных пород; свойства массива обусловлены свойствами, расположением и взаимной связью образующих его пород, а свойства образца – свойствами, расположением и связью слагающих его минералов.

    Физика  горных пород – научная база безопасного ведения горных работ, долговременного и оперативного планирования всех видов горного производства; она ведёт исследования состояний и свойств объектов разработки горных пород и массивов, процессов, возникающих при различных воздействиях на объекты; находит закономерности проявлений этих свойств и др. По объектам исследований физика горных пород близка к геологическим наукам, а по методам исследования – к физике твёрдого тела, жидкостей и газов. В физике горных пород широко применяется аппарат теории вероятности и математической статистики, используются экспериментально установленные закономерности и корреляционные зависимости, а физические явления и процессы, происходящие в породах, часто описываются феноменологически. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Физические свойства горных пород

    Физические  свойства горных пород – внутренние, присущие данной горной породе особенности, обусловливающие её различие или общность с другими горными породами и проявляющиеся как ответная реакция горных пород на воздействие на неё внешних физических полей или сред. Численно каждое физические свойство горных пород оценивается размерным или безразмерным параметром (коэффициентом, показателем, характеристикой) – количественной мерой этого свойства. Физические параметры горных пород могут быть скалярными и тензорными.

    Широкий диапазон значений физических свойств  горных пород объясняется многообразием их минерального состава, строения, многофазностью, а также генезисом горных пород. Физические свойства горных пород, определённые стандартными методами с указанием состава горной породы и её строения, представляют собой стандартные справочные данные (ССД) о горных породах. В соответствии с классификацией, принятой в физике горных пород, основными группами физических свойств в зависимости от вида внешнего физического поля считаются: плотностные, механические, тепловые, электрические, магнитные, волновые, радиационные, гидрогазодинамические. С целью сопоставления разных горных пород, их совместного рассмотрения и анализа выделено 12 основных независимых базовых физических параметров (табл.), которые позволяют вычислить все другие параметры горных пород. Базовые физические параметры любой горной породы могут быть представлены в виде унифицированной цифровой записи, которая представляет собой паспорт горных пород по физическим свойствам. Базовые физические параметры – общий фундамент для изучения всех горных пород, поэтому их определение обязательно.

    При изменении одного из физических свойств  горной породы происходит изменение других. Это явление называется взаимосвязью физических свойств горных пород. Взаимосвязи позволяют определять значения одних физических свойств по другим. 

2.Классификация горных пород 

    По  происхождению горные породы подразделяются на:

    1.Магматические  породы.

    2. Осадочные породы

    3.Метаморфические  породы.

    Магматической определяется порода, образовавшаяся в результате охлаждения и затвердевания магмы. Так как магма может остывать на глубине, внутри каменной оболочки земного шара, или на земной поверхности, то магматические породы разделяются на интрузивные (внедрившиеся в толщи горных пород) и эффузивные (излившиеся). Наиболее типичными интрузивными породами считаются гранит, диорит, габбро, перидотит и др. Базальт, липарит, андезит принадлежат эффузивным породам.

    Анализ  приведенного материала. В определении магматической породы как продукта остывания магмы нет признаков, по которым ее можно отнести к магматической. Проверить же достоверность того, что интрузивная магматическая порода является именно таковой, а не метаморфической, невозможно, потому что никто не присутствовал на глубине при охлаждении магмы. Доказать, что образец горной породы принадлежит магматической породе нельзя из-за отсутствия в нем признаков происхождения.

    Для примера возьмем образец гранита, считающегося наиболее распространенной интрузивной магматической породой. Когда прошу студента или геолога объяснить, почему это магматическая порода, то в ответ слышу утверждение, что гранит сложен кристаллами, которые возникли при остывании магма. Но это признак кристаллической породы, а не магматической. Тогда показываю образец каменной соли, который состоит из кристаллов, и потому должен быть также магматической породой. Нет, каменная соль, заявляют мне, отнесена к осадочной породе. Мрамор же представляет собой пример метаморфической породы, хотя сложен кристаллами кальцита.

    Эффузивные  породы вообще нельзя называть магматическими, потому что возникли при остывании излившейся лавы, а не магмы. Если и давать им название по происхождению, то логически выдержанно их называть вулканогенными, как образовавшимися при извержении вулканов. Но и в таком случае остаются логические неувязки.

    При извержениях вулканов лава может  изливаться или выбрасываться в  виде раскаленных обломков разной величины – пирокластов (пирос - огненный, класт - обломок). Эффузивные или излившиеся породы составляют только часть вулканических пород. Есть еще пирокластические, разделяющиеся на рыхлые или тефру: пепел, лапилли (горох), вулканические бомбы, и сцементированные – туфы. 

     При извержениях вулканов центрального типа лавы больше выбрасывается, чем изливается. 

2.1.Осадочные  породы

    Осадочные горные породы – породы, сформировавшиеся на поверхности или в приповерхностной части Земной коры за счет осаждения  продуктов экзогенных процессов. Сами экзогенные процессы по направленности результатам можно условно разделить на 3 группы: разрушительные-промежуточные-созидательные.

    К первой группе относятся:

    - гипергенез;

    - геологическая деятельность ветра,  водных потоков, ледников, озер и болот, подземных вод, морей.

    В результате этих процессов образуются:

    - рыхлый обломочный материал.

    - новые минералы и минерализованные  растворы.

     Вновь образованный рыхлый материал и минералы могут оставаться на месте своего формирования (кора выветривания) или перемещаться. При перемещении или транспортировке и происходят промежуточные процессы. В зависимости от расстояния, скорости перемещения, объема и размеров переносимого материала и ряда других факторов могут продолжаться дальнейшее разрушение и начаться частичная аккумуляция (или осаждение) переносимого материала.

    Разрушение  при транспортировке - это:

    - превращение крупных обломков в мелкие

    - превращение угловатых обломков в окатанные

    - сортировка обломочного материала  по размерам (вертикальная и латеральная).

    Частичная аккумуляция происходит обычно при  транспортировке материала на большие расстояния или при резкой смене условий транспортировки. Происходит разделение рыхлого материала. Одна его часть перемещается дальше, а другая оседает. При этом может происходить укрупнение размеров обломков. Так, при разрушении горных пород могут высвобождаться мелкие частицы самородного золота, платины и других элементов. При частичном осаждении за счет мягкости и гибкости мелкие золотины слипаются и образуют комок золотин или самородок.

    Созидательные процессы включают:

    - осадконакопление или седиментогенез;

    - преобразование рыхлых осадков  в твердую горную породу - диагенез.

    Среди главных породообразующих компонентов  выделим:

    1-реликтовые  минералы и обломки пород - терригенный материал;

    2-минералы  осадочного генезиса(опал, оксиды  и гидроксиды железа, сульфаты фосфаты галоиды и т.д.)

    3-органические  остатки,

    4-вулканический  материал.

    Строение  осадочных пород характеризуют  структура и текстура.

    Структура - определяется размером и формой обломков и минералов, Текстура - их взаимным расположением и ориентировкой в пространстве. 

2.2.Классификация осадочных горных пород

    Основной  принцип - по вещественному составу  и генезису сохраняется. В этом случае все породы делятся на 3 группы: обломочные, хемогенные и биогенные, глинистые. Такое деление детализировал Страхов, который выделил 10 групп: 

    1-обломочные                          5-марганцовистые     8-карбонатные

    2-глинистые                             6-фосфатные              9-соли

    3-аллитные (глиноземистые)  7-кремнистые            10-каустобиолиты

    4-железистые 

    Между этими группами пород существуют переходные разности.

    С осадочным процессом связаны  разнообразные полезные ископаемые. Это бокситы, железные и марганцевые  руды, соли, нефть и газ, угли и горючие сланцы и др.

    С рыхлыми обломочными породами связаны  россыпи золота, платины, олова, вольфрама, алмазов и др. драгоценных камней.

    Сами  породы используются как строительный материал, глины как адсорбент.

    Согласно  другой классификации осадочные породы в свою очередь разделяются на терригенные, органогенные и хемогенные (химические). Терригенные сложены неорганическими обломками и глинистыми частицами, снесенными в море с суши, земли (terra - земля). Это песок, глина, песчаник, конгломерат и др. Органогенные образовались в результате скопления остатков организмов, большей частью их скелетов. К ним относятся известняки, диатомиты, а также каустобиолиты – бурые и каменные угли. Хемогенные породы формируются при кристаллизации из воды различных солей. Самые распространенные из них каменная и калийная соли, гипс и др.

    Из  приведенного определения песчаник нельзя назвать осадочной породой, потому что он образовался на глубине не при выпадении осадка и вне термодинамических условий поверхностной части литосферы. Известняк из створок раковин моллюсков (ракушник) стал таковым не на поверхности дна моря, а при погружении скоплений этих створок, также не выпадавших из морской воды. Признаков осадочного происхождения они не имеют. Относится это и к песку, например, эоловой фации.  

3.Метаморфические породы

    В том же словаре напечатано: «порода  метаморфическая – основные особенности, которой (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного осадочного (в парапородах) или магматического (в ортопородах) происхождения частично или полностью утрачены».

    Анализ  приведенного материала. Прежде всего, необходимо отметиться, что нет признаков первичного осадочного или магматического происхождения. По ним противопоставлять метаморфические породы другим типам пород невозможно. Конечно, образцы горных пород ответить не могут, происхождение на них не написано.

    Под метаморфической предлагается понимать породу, изменившую форму, внешний облик. К ней относятся мрамор, кварцит, кристаллический сланец, гнейс и др. Получается, по образцу, например, гнейса можно увидеть, что он образовался в процессе метаморфизма. Ничего подобного на нем не написано. В середине XVIII в. гнейс считался первичной породой, возникшей при сотворении Земли. В конце XVIII в. по гипотезе нептунизма гнейсу приписывалась химическая природа, – появился при осаждении солей из соленого горячего первичного мирового океана. В начале XIX в. Б. Котта отвел место гнейсу в первичной коре охлаждения – земной коре, т. е. образовался он при остывании первичного расплава. И только затем с середины XIX в. гнейс стал считаться метаморфической породой. Между тем кристаллическое сложение гнейса свидетельствует, что он образовался при перекристаллизации с увеличением размера кристаллов какой-то мелкокристаллической породы.

    Горных  пород, не изменивших внешний облик, вообще нет. Песок образовался при разрушении гранита, гнейса, песчаника или какой-то другой породы, песчаник при цементации песчинок и т. д. Получается, все горные породы образовались за счет других пород с изменением внешнего облика, часто минерального и химического состава.

    Таким образом, признаков происхождения  горные породы не имеют. Отсутствие признаков происхождения не позволяет составить алгоритмы их определения, компьютерные программы. Отсутствие признаков генезиса свидетельствует, что магматических, осадочных и метаморфических пород в природе нет. Это видимый мир геологии, или вымысел. 

4.Физические свойства горных пород

    Число физических свойств горных пород, проявляющихся  в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

    В качестве основного признака классификации  физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горно-технологические, тепловые, электромагнитные, радиационные. 
 
 

4.1.Классификация физических свойств горных пород

Физические  свойства породы

    Для более наглядного представления  изменчивости параметров пород пользуются вариационными кривыми (кривыми  распределения, гистограммами). По оси абсцисс откладывают числовые значения изучаемого параметра, а по оси ординат – число образцов (в % от всего их числа или абсолютное), имеющих физический параметр (рис. 2)

(Рис. 2) Вариационные кривые распределения физических свойств горных пород:

а — интегральная: 1 – распределение объемной массы известняка; 2— то же, доломита; 3 —то же, гранита; б — дифференциальная: распределение предела прочности при сжатии пород рудных месторождений Алтая (по К. П. Катину)

5.Классификация пород по физическим свойствам

    Известны  различные классификации пород, но одному или двум физико-техническим параметрам. Горные породы в них разделяются на группы по величине параметров. Это так называемые частные классификации, пригодные только при рассмотрении конкретных свойств и конкретных, заранее внесенных в классификацию пород. К ним относятся, например, классификации пород по пористости, плотности, крепости, буримости, взрываемости и т. д. В них не выделены исходные факторы, определяющие свойства пород.

    Существующие общие петрографические и генетические классификации магматических, осадочных и метаморфических пород основаны на разделении породы по минеральному составу и структурно текстурным особенностям. Такие классификации предназначены для диагностики горных пород, выявления и систематизации их петрографических особенностей. Они позволяют установить по известным признакам (строению и составу) неизвестное — название породы. Хотя по названию породы и можно в какой-то мере судить о ее физических свойствах, однако, для систематизации горных пород по физическим свойствам петрографические классификации непригодны из-за неоднозначности оценки свойств по ним.

    Обобщенная  классификация горных пород по всему  комплексу физико-технических параметров должна базироваться на таких классификационных признаках, которые оказывают определяющее влияние на свойства пород.

    Если  все горные породы объединить в группы по основным внутренним факторам, то этим будут предопределены и численные значения физических параметров каждой такой группы пород, т. е. будет достигнута задача классификации горных пород по физическим свойствам.

    Для этих целей выделены основные признаки состава и строения, по которым целесообразно группирование горных пород.

    Так, по минеральному составу выделены 20 минералов, оказывающих основное влияние на свойства горных пород (табл. 2.5).

    По  строению горные породы подразделены на группы в соответствии с табл. 2.6.

    Статистический  тип строения пород количественно  оценивают по размерам и неоднородности в размерах зерен и пор. Эти породы изотропны.

    Породы  матричного строения, у которых включения  или пустоты изометричны, также практически изотропны.

    Породы  матричного строения, у которых включения, пустоты или зоны ослабления имеют  вытянутую (линейную или плоскостную) форму, анизотропны. Строение их оценивается по размерам зерен и неоднородностей в их размерах, а также по размерам прожилков, каналов, слоев и по их числу, приходящемуся на единицу объема породы.

Если  построить классификационное поле, на котором по горизонтали проставить перечисленные типы строения, а по вертикали – возможные сочетания двух основных минералов, то любой участок этого поля станет вполне конкретизированным по минералам и типу строения и, следовательно, по физическим свойствам (табл. 2.7).

    При переходе от одной группы пород по признакам строения к другой происходит резкое изменение их состояния. Так, если непористые скальные породы однофазные, то пористые, по крайней мере, двухфазные, пористые связные и рыхлые — двухфазные с сильно ослабленными связями между частицами.

    Каждая  группа пород в данной классификации  имеет свои формулы расчета физических параметров, позволяющие прогнозировать свойства пород.

    К тому же каждый участок классификационного поля может быть записан в виде соответствующего набора цифр (кода), если каждому минералу и каждому типу строения присвоить свой номер.

    Приняв  определенный порядок записи — вначале  код основного минерала, далее  код дополнительного минерала и  код строения породы,— получают численную характеристику породы, определяющую ее свойства. Так, например, участок, занимаемый в классификации гранитом, записывают следующим образом: 02-01-1.1, аркозовым песком, имеющим тот же состав, 02-01-3.1. В результате такой записи наглядно выявляются общие и отличительные признаки. Приведенные породы, например, отличаются только степенью связи частиц. Наоборот, записи каменного угля (17-13-2.3) и углистого сланца (13-17-2.3) показывают, что они отличаются, в первую очередь, преобладающим минералом. 
 
 

    Таблица 2.5 Основные минералы, обусловливающие  физические свойства горных пород

    Таблица 2.6. Группирование пород по признакам  строения