4.1.3. Характеристика физических свойств горных пород. Рассмотрим характеристики физических свойств горных пород и геологические факторы, от которых они зависят (табл. 4.1).

Плотность (масса единицы объема) разных пород σ меняется от 1,2 до 3,3 г/см³ в зависимости от плотности минерального скелетаδ, которая колеблется в пределах 2,1 - 3,5 г/см³, а также от пустотности (пористости и трещиноватости), т.е. отношения объема пор к объему твердой фазы породы, и флюидонасыщенности (водо-, нефте- и газонасыщенности, или степени заполнения пор флюидом) (см. разд. 2.1). У магматических и метаморфических горных пород плотность определяется в основном их минеральным составом и увеличивается при переходе от пород кислого состава к породам основного и ультраосновного

77

Таблица 4.1

Некоторые физические свойства горных пород

Породы	Плотность, σ, г/см3	Пористость, n, %	Скорости упругих воли, км/с			Магнитная восприимчивость æ, 10-5 ед. СИ	Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом · м
			Vp		Vs
			газона- сыщен- ность	водо- насы- щен- ность
МАГМАТИЧЕСКИЕ
1. Ультраосновные (пироксенит, перидотит, дунит и др.)	3,2 - 3,3	0,1 - 0,5	7,5	8,5	4,5	1 000 - 25 000	105 - 108
2. Основные
габбро	2,9 - 3,0	0,01 - 1	6,0	6,6	3,8	300 - 1 500	104 - 107
диорит	2,7 - 2,8		5,6	6,3	3,5	1 000 - 70 000	103 - 107
3. Кислые
гранодиорит	2,7	0,2 - 5	4,6	6,0	3,3	100 - 45 000	103 - 106
гранит	2,6	0,1-3	3,0	5,5	2,8	50 - 40 000	103 - 105
4. Эффузивные
диабаз	2,9	0,1 - 5	3,5	6,5	3,5	500 - 150 000	105 - 107
базальт	2,5	3-6	3,0	5,5	3,0	100-15 000	103 - 107
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ
5. Гнейсы	2,7	0,01 - 1	3,8	5.6	3,2	100 - 20 000	103 - 105
Сланцы	2,5		3,5	4,8	3,0	50 - 3 000
ОСАДОЧНЫЕ
6. Скальные и полускальные
известняк	2,6	2 - 25	2	6	3	50 - 2 500	100 - 105
доломит	2,7	2 - 17	1	5,5	2,5	50 - 800	100 - 104
мергель	2,4	5 - 35	1,5	4,5	2	10 - 1 000	10 - 103
песчаники	2,5	2-35	1	4,5	1	50 - 5000	100 - 104
7. Песчано-обломочные
гравийно-галечные	3	2 - 20	0,8	2,5	0,5	50 - 5 000	100 - 103
пески	1,3 - 2	2 - 40	0,5	2	0,2	50 - 2 500	10 - 103
8. Пластичные (глинистые)
глина	1,2 - 2,4	2 - 4	1,5	2,5	0,4	10 - 3 000	1 - 100

состава в соответствии с увеличением количества железосодержащих минералов. У осадочных пород она зависит прежде всего от пористости и водонасыщенности.

78

Основным магнитным параметром горных пород является магнитная восприимчивость æ (каппа). Этот параметр представляет собой коэффициент пропорциональности между интенсивностью намагничения I_i образца, пласта или массива горных пород и напряженностью намагничивающего геомагнитного поля Т_н, где они залегают: I_i = æТ_н (см. разд. 2.3). За единицу æ принимается 10^-5 единиц СИ. Большинство горных пород относятся к парамагнетикам: намагниченность у них направлена по вектору напряженности геомагнитного поля в месте их залегания, а величина æ меняется от единицы до 10 000 единиц 10^-5 СИ. У ферромагнитных пород и руд намагниченность также направлена по Т_н, а величина ее зависит от наличия и количества железосодержащих и некоторых других минералов-ферромагнетиков (магнетит, титаномагнетит и др.). Для них значения æ достигают единиц СИ. В целом интервал изменения æ горных пород достаточно велик и зависит от их минерального состава, условий залегания, степени метаморфизма, тектонической разрушенности и других факторов. Среди магматических пород наиболее высокие и устойчивые значения æ характерны для ультраосновных и основных по составу пород, несколько меньшие - для кислых по составу и эффузивных, а также метаморфических. Осадочные породы, за исключением некоторых разновидностей песчаников и глин, практически немагнитны.

Вторым магнитным свойством горных пород является остаточная намагниченность I_r, которой характеризуется намагниченность пород и железосодержащих руд магнитным полем, существовавшим во время их образования, а также последующими его изменениями. Параметр I_r, измеряемый на образцах горных пород разного возраста, несет информацию об истории развития геомагнитной обстановки в разные геологические эпохи и изучается в научно-прикладном разделе геофизики, называемом палеомагнетизмом.

Третьим магнитным параметром горных пород является магнитная проницаемость μ = 1 + 4πæ, которая практически у всех горных пород равна магнитной проницаемости вакуума (воздуха) μ₀ = 4π · 10^-7 Гн/м. Поэтому относительная магнитная проницаемость μ_отн = μ/μ₀ горных, пород равна 1, достигая 2 - 3 единиц лишь у ферромагнитных железных руд.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) ρ горных пород, измеряемое в Ом · м, и удельная электропроводность γ = 1/ρ, измеряемая в 1/Oм·м, являются основными электромагнитными параметрами горных пород (см. разд. 2.4). Горные породы и руды делятся на проводники I рода с высокой электронной проводимостью вследствие наличия в них электронно-проводящих

79

минералов (самородные металлы, многие окислы, сульфиды, графит) и проводники II рода с ионной проводимостью, в которых породообразующие минералы (полевые шпаты, алюмосиликаты, слюды и многие другие) являются практически изоляторами, а ток проводится ионами заполняющего поры флюида. К проводникам II рода относятся все породы: магматические, метаморфические (ρ = 10³ - 10⁸ Ом · м), скальные осадочные (10 - 10⁵), песчано-обломочные (10 - 10³), глинистые (1 - 100 Ом · м). Большие интервалы изменения УЭС горных пород обусловлены различием литологии, пустотности, водонасыщенности, минерализации подземных вод, температуры, текстуры, структуры пород. Последними двумя факторами определяется анизотропия УЭС, т.е. электропроводность вдоль слоистости больше, чем поперек слоистости (для сланцев, например, в 2 - 3 раза).

В некоторых методах электроразведки используются и другие электромагнитные свойства:

С упругими свойствами горных пород (модуль Юнга, коэффициент Пуассона), а также с плотностью связаны скорости распространения продольных (V_p) и поперечных (V_s) волн, изучаемые в сейсмоакустических методах (см. разд. 2.5). Главными факторами, влияющими на величины V_p и V_s, являются структурные связи в породах (жесткие - в скальных и полускальных, водно-коллоидные - в глинистых) или отсутствие связей (в рыхлых песчано-гравийных породах).

Скорости упругих волн магматических, пород возрастают с увеличением в них содержания минералов основного состава, т.е. при переходе от кислых (граниты) к основным (габбро) и особенно к ультраосновным (дунит, перидотит) породам (V_p возрастает от 3 до 8,5 км/с, V_s - от 2,8 до 4,5 км/с). Они

80

увеличиваются также с уменьшением пустотности (первичной пористости и вторичной трещиноватости). Скорости продольных волн увеличиваются с ростом водонасыщенности пород, а у поперечных волн не зависят от того, чем заполнены пустоты: воздухом или водой (в жидкостях поперечные волны не распространяются). У метаморфических пород скорости упругих волн определяются минеральным составом и возрастают при переходе к более высоким степеням метаморфизма. Отношения V_s/V_p для скальных магматических и метаморфических пород меняются от 0,5 до 0,6, а для полускальных - от 0,2 до 0,5. Для осадочных пород определяющими факторами, изменяющими скорости упругих волн в широких пределах, являются соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз, что зависит от их пустотности и флюидонасыщенности. В целом для осадочных пород V_p меняется от 0,5 до 6 км/с, V_s - от 0,2 до 3 км/с, а их отношения V_s/V_p - от 0,1 у песков до 0,6 у глин и известняков. При замерзании любых пород скорости резко (в 1,5 - 10 раз) возрастают. Важным упругим параметром является акустическая жесткость σ · V, где σ - плотность. На контактах слоев с отличающимися σ · V образуются отраженные волны.

В терморазведке измеряемыми параметрами являются температура горных пород Т в градусах Цельсия (°С) или кельвинах (К), градиенты температуры Δ T и тепловые потоки из земных недр q в Вт/м² (см. разд. 2.6). По ним рассчитываются основные тепловые (теплофизические) свойства: теплопроводность λ (Вт/(м · К)), удельная теплоемкость с (ДжДкг · К)), температуропроводность а = λ_T/(сσ) (м²/с), где σ - плотность породы. Основной тепловой параметр -теплопроводность - изменяется у магматических и метаморфических пород от 0,5 до 5, а у осадочных - от 0,1 до 5 Вт/(м · К), возрастая в ряду пород: торф - глина - пески - конгломераты - известняки - каменная соль. Максимальные λ у полиметаллических руд (> 10) и особенно у самородных металлов (до 500), а минимальные - у нефти (0,14) и воздуха (0,01 - 0,04). Остальные теплофизические свойства горных пород меняются в 2 - 10 раз и в геофизической практике используются редко.

Ядерно-физические свойства горных пород определяются естественной и искусственной (вторичной, вызванной) радиоактивностью (см. разд. 2.7). Среди свыше чем 200 радиоактивных элементов наиболее распространены в земной коре U (∼ 2 · 10^-4%), Th (∼ 7 · 10^-4%) и ⁴⁰K (∼ 2,5%), дающие вместе около 99% радиогенного тепла. Количественную оценку радиоактивности в радиометрии принято давать через процентное содержание урана, который в той или иной концентрации присутствует во всех

81

горных породах. Максимальные значения радиоактивности (свыше 0,1% U) у радиоактивных минералов и руд. В магматических породах при переходе от кислых к основным и ультраосновным радиоактивность уменьшается от 5 · 10^-4 до 0,03 · 10^-4% U, у метаморфических она меняется в пределах (1 - 3) · 10^-4% U. У осадочных пород она максимальна в россыпях с радиоактивными элементами (свыше 0,1% U), в калийных солях, илах, горючих сланцах (около 10^-2% U) и глинах, песчаниках, мергелях (< 10^-3% U), минимальна у карбонатов, кварцевых песков, гипсов, поваренной соли (< 10^-4% U).

Гамма-лучевые и нейтронные свойства горных пород отражают их взаимодействие с гамма- и нейтронными полями. По эффектам взаимодействия с ядрами и электронами атомов минералов, выражающимся в замедлении, рассеянии и поглощении гамма-квантов и нейтронов, можно судить о химическом составе, плотности, пористости, содержании водорода (наличии воды, нефти и газа).

Основной характеристикой гамма-излучения является коэффициент поглощения гамма-лучей μ_γ, который зависит от плотности и химического состава горных пород и руд. Нейтронное излучение характеризуется длиной замедления нейтронов l_s (см), временем жизни тепловых нейтронов τ (мкс) и коэффициентом диффузии (или поглощения) нейтронов μ_n. Аномальные значения этих параметров наблюдаются в породах с повышенным содержанием водорода и хлора и в рудах, где есть бор, литий, ртуть, марганец и некоторые другие элементы.

82