Физика горных пород как наука, основные понятия и определения

Физика горных пород (петрофизика) — одна из основных дисциплин разведочной геофизики, наиболее тесно связанная с физикой веществ и петрологией. Из многих физических свойств горных пород петрофизика изучает главным образом свойства, создающие физические поля, которые могут быть измерены геофизическими методами.

Определение науки о физике горных пород представляется как дисциплины естествознания, в которой изучают закономерности изменений физических свойств горных пород и связи между этими свойствами.

Физика горных пород очень тесно связана с другими естественными науками: с одной стороны — физикой и математикой; с другой — геологией и петрологией. Результаты петрофизических исследований — неотъемлемая часть геофизических работ. петрофизика горный порода Все основные физические константы и параметры в петрофизике взяты из классической физики и соответственно нормируются в международной системе единиц СИ. Задача петрофизики — изучить физические свойства в конкретной горной породе (в классической физике в основном изучаются однородные (квазиоднородные) вещества). В понятие «изучить» вкладывается понятие «выявить закономерности» .

Физические свойства горных пород — это их способность взаимодействовать с естественными физическими полями Земли (гравитационным, магнитным, тепловым) или с искусственно созданными физическими полями (сейсмоволновым, радиоактивным, электромагнитным, оптическим и др.).

Геофизические дисциплины разделяются в соответствии с физическими свойствами и созданными ими полями. Основные физические свойства (петрофизические показатели):

• — плотность (дп) — изучается в гравиразведке;
• — магнитная восприимчивость () — изучается в магниторазведке;
• — удельное электрическое сопротивление (с), диэлектрическая проницаемость () — изучаются в электроразведке;
• — скорость распространения упругих волн (Vп) — изучается в сейсморазведке;
• — естественная и искусственная радиоактивности (I), (I) — изучаются в радиометрии;
• — теплоемкость (С), теплопроводность (л) — изучаются в термометрии.

Место петрофизики при геофизических исследованиях связано с их технологическим циклом:

• 1) измерение параметров физических полей в неоднородной среде;
• 2) геофизическая интерпретация полученных измерений с целью определения физических свойств и построение вероятностной физической модели;
• 3) геологическая интерпретация физической модели и построение физико-геологической модели.

В основе геофизической интерпретации лежат методы решения прямых геофизических задач, позволяющие учесть влияние различных неоднородностей в земной коре. Для геологической интерпретации геофизических данных служат петрофизические связи, позволяющие перейти от неоднородностей, обусловленных физическими свойствами среды, к геологическим объектам.

Неоднородность горных пород

В геологии горная порода — это природный агрегат минералов постоянного состава, образующий самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору.

В петрофизике горную породу следует характеризовать как гетерогенную многокомпонентную многофазную термодинамическую систему.

Основные виды неоднородности:

• 1) фазовый состав;
• 2) компонентный (минеральный) состав;
• 3) химический состав;
• 4) текстурно-структурное строение.

Фазовый состав: три фазы — твердая, жидкая, газообразная. В породах разного состава разные соотношения фаз. Как правило, породы бывают трехи двухфазные.

Компонентный состав: твердая фаза состоит из минералов, жидкая фаза из жидкостей, газообразная фаза представлена газами.

Химический состав: минералы, жидкости и газы различаются соответственно по химическому составу.

Текстурно-структурное строение: сложные геологические образования, состоящие из двух или более различных включений (слоев, микрослоев, полостей), чередующихся в объеме изучаемого объекта (породы, пласта).

Неоднородность горных пород — их природное свойство, где фазовый, компонентный, химический и т. д. составы имеют фазовую, компонентную, химическую и т. д. неоднородности. То есть различают масштабы неоднородности, которые зависят от ее природы и образуют различные уровни неоднородности. Эти уровни ранжируются в порядке возрастания: атомы (ионы)> молекулы> монои полиминеральные слои> поры, заполненные жидкостью или газом> зерна твердого скелета> полости выщелачивания> прослои, линзы, включения.

Фазовые превращения и диаграмма состояний веществ

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния называются фазами.

Соотношение между средней кинетической и средней потенциальной энергиями частиц вещества (ионов, атомов, молекул) определяет фазу вещества. Это соотношение зависит от температуры T и давления P (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма фазового состояния веществ.

Линии диаграммы называются кривыми фазового равновесия. Они соответствуют условиям сколь угодно долгого существования (равновесия) двух смежных фаз. Точка Д называется тройной точкой; она соответствует условиям существования всех трех фаз вещества. Например, тройная точка воды соответствует одновременному существованию льда, воды и водяного пара, соприкасающихся между собой (Т=273,15 К и Р=4,58 мм рт. ст.).

Лабораторные и полевые геофизические методы исследуют и отражают разные уровни неоднородности исследуемых геологических объектов. Например, ядерные методы (нейтронно-активационный анализ) «работают» на атомном уровне и дают информацию о количественном содержании элементов. Электрические и электромагнитные методы «работают» на уровне зерен минерального скелета и пор (можно изучать соотношение твердой фазы и флюидов.

Уровни неоднородности высоких порядков (атомы, ионы, молекулы), как правило, изучаются в лаборатории на образцах. Обычно имеют дело с образцами размером от 1 до 10 см.

Физические свойства горных пород обусловливаются внутренней энергией систем, а также влиянием внешних факторов таких, как температура, давление, магнитное поле Земли. Физические свойства зависят от строения внешних или внутренних электронных орбит атомов, особенностей электронной оболочки и массы ядер, строения ядер (рис. 2).

Рис. 2. Взаимосвязь физических свойств со строением атомов.

Такие физические свойства, как плотность дп, упругость Vп и др. характеризуются направленными и периодическими изменениями, соответствующими изменению химических свойств в порядке периодической системы элементов Д. И. Менделеева (рис. 3).

Рис. 3. Соотношение физических (упругих, плотностных и тепловых) и химических свойств в порядке периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

(mа — относительная атомная масса, Rа — атомный радиус,.

Vп — скорость продольных упругих волн, дпплотность) По результатам изучения физических свойств пород составляются петрофизические классификации. В их основу должны быть положены: природа, величина, дисперсия физических параметров, генетический тип и минеральный состав пород. Для выяснения пространственного распределения горных пород с определенной физической характеристикой принципиально важно составление петрофизических карт и разрезов.

Схема изучения физических показателей

Структуру рассмотрения физических показателей горных пород в свете изучения геологических условий их образования и размещения в земной коре и взаимодействия с геофизическими полями удобно представлять в последовательности, иллюстрируемой следующей схемой (рис. 4):

Рис. 4. Схема изучения физических свойств на уровне фазового и вещественно-петрографического составов пород.

Как правило, физический показатель природных объектов характеризуется свойством, зависящим от других физических показателей, которые дают представление о том или ином физическом состоянии или явлении и характеризуют взаимодействие природных объектов с физическими полями. Например, пористость, плотность, магнитная проницаемость и. т. д. — это свойства природных объектов, определяемые отношением: а) для пористости — объема пор к объему всей породы; б) для плотности — массы к объему; в) для магнитной проницаемости — магнитной индукции к напряженности магнитного поля.

Физические показатели фазовых компонент природных объектов — следующий этап структуры их рассмотрения. Первоначально рассматривается твердая фаза, то есть минеральный состав горных пород. С позиций изучения тенденции закономерностей изменения физических свойств, целесообразно составлять последовательные ряды минералов, близких по петрологическим характеристикам: минералы угольной, силикатной, карбонатной, глинистой, рудной и других групп.

История формирования петрофизики

Разработка методических основ, теории и техники определения физических свойств горных пород осуществлялась одновременно с созданием и развитием разведочной геофизики в 1920;1950 гг. многими отечественными (Б.А. Андреев, Г. А. Гамбуруев, И. И. Гурвич, В. Н. Дахнов, А. Н. Заборовский, С. Г. Комаров, В. В. Федынский и др.) и зарубежными (Э. Вихертт, К. Шлюмберже и др.) учеными.

С 60-х годов минувшего столетия петрофизика формулируется как новая область геофизики. Были изданы первые книги, посвященные физической характеристике горных пород и полезных ископаемых и методике их изучения (Н.Б. Дортман, В. Н. Кобранова и др.). Начали и продолжают проводиться исследования в специализированных лабораториях, включая зарубежные.