Густина хімічних елементів, мінералів

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

 

Геологічний факультет

 

Кафедра геофізики

 

Група геофізики

 

 

 

 

Реферативна робота №1

з навчальної дисципліни

«Петрофізика»

на тему: «Густина хімічних елементів, мінералів»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконала:   Нестеренко А.В.

Перевірила:  Безродна І.М. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ - 2011

Вступ

Метою даної реферативної роботи є оцінка загальних відомостей щодо густин хімічних елементів, мінералів, а також гірських порід, які вони можуть утворювати. Зараз, в час науково-технічного прогресу, вражає різноманіття відкритих та розвіданих мінералів, знань, здобутих з приводу хімічних елементів, їх структурної будови, будови атома, ядра, а також відповідні залежності для речовин, ними утворених. Тому в цій роботі будуть показані основні особливості значень густини для різних сполук, її зв’язок зі складом та структурою речовини, а також із умовами її утворення та перетворення, якщо таке мало місце. Також буде приділена увага впливу пористості, флюїдів, мінералізації та глибинності утворення речовини на її густину. 

Існує декілька видів густин, які  можна визначати:

1. Об’ємна густина – відношення маси гірської породи (г.п.) до її об’єму - σ.

2. Мінеральна густина – відношення маси твердої фази до чистого об’єму твердої фази – δ.

3. Густина твердої фази – відношення маси твердої фази до об’єму твердої фази за виключенням відкритої пористості – σ _т.

4. Густина газо-, водо-, нафтонасичених порід – відношення маси г.п., насиченою газом, водою, нафтою (відповідно) до об’єму г.п. - σ_г, σ_в, σ_н.

Визначають також:

1. Питома вага – відношення  ваги г.п. до її об’єму –  δР, Н/м³.

2. Кристалохімічна густина –  кількість атомів в одиниці  об’єму г.п. – η, 1/м³.

3. Структурна рихлість – середній  об’єм г.п., що припадає на 1 її  атом, ω, м³.

Надалі, якщо не буде вказано інакше, ми будемо говорити про об’ємну густину - вона визначається як маса речовини, яка міститься в одиниці об’єму: σ=m/V. Розмірність в системі СІ кг/м³, в СГС – г/см³.

Порода з певним об’ємом може складатися з твердої фази (тв.ф.) і пор (п.). в загальному випадку маса породи m_п складається відповідно з мас m_т, m_р, m_г її твердої, рідкої і газоподібної фаз. Відповідно, , де σ_т, σ_р, σ_г – густини твердої, рідкої і газоподібної фаз, а V – об’єм. Тверда фаза може бути складена різними мінералами, а пори – виповнені водою, нафтою, газом. Густина тв.ф. – сума об’ємних вмістів компонент, поділена на об’єм тв.ф. і помножена на густину вміщуючих компонент. Дуже впливає на густину і пористість породи, а точніше, коефіцієнт загальної пористості. Пористість – наявність пустот (пор) у тілі, речовині, мінеральній сировині. Коефіцієнт пористості – відношення об’єму всіх пустот до загального об’єму породи.

Для більшості магматичних і  метаморфічних порід з первинною  пористістю характерні невисокі значення пористості (від 0 до 2-5%), тому об’ємна густина у них залежить від густини мінерального скелету. Для первинних осадів, осадових порід, частини осадових і ефузивних порід з первинною пористістю і порід з кори вивітрювання древнього фундаменту пористість змінюється в широких межах. Тому і густина має великі діапазони змін, а також сильно залежить від типу насичуючого флюїду.

Якщо говорити про гази, то у  повітря за нормальних умов густина  рівна 1,2 кг/м³, метану – 0,7 кг/м³, а пентану – 3,17 кг/м³. Густина природного газу має густину, близьку до густини повітря, але зі збільшенням тиску вона різко зростає.

Густини ж рідин залежать від навколишніх умов та мінералізації. Наприклад, для води вона може змінюватися від 1,01*10³(прісна вода) до 1,24*10³ кг/м³(при повному насиченні). Густина пластових нафт залежить від їх хімічного складу та від розчиненого в них нафтового газу. Густина нафти в природних умовах змінюється в межах (0,5-1,0)*10³ кг/м³.

А тепер перейдемо до густин власне мінералів. Вони класифікуються на густі (σ_тв>4*10³кг/м³ ), середньої густини (σ_тв=(2,5-4,0)*10³кг/м³) і малої густини (σ_тв<2,5*10³кг/м³).

Густина може мати найрізноманітніші значення залежно від хімічного складу речовини, наприклад, для простих, хімічно чистих речовин вона змінюється від 500 кг/м³ (літій) до 22500 кг/м³ (осмій та іридій). Густина гірських порід, що складають земну кору – (1,6-3,5)*10³ кг/м³, середня густина Землі – 5,52*10³ кг/м³.

Майже вся маса атома зосереджується в ядрі (до 99,97%) і густина ядра є дуже великою (до 1,16*10¹⁷ кг/м³), а електронної хмари – дуже малою. При чому радіус ядра складає 10^-15 – 10^-14, коли радіус атома елемента 10^-10 м.

Густина мінералу визначається масою складових його елементів, будовою електронних оболонок атомів – кристалохімічними особливостями структур. Також густина зростає зі збільшенням кількості атомів великої відносної атомної маси, та зі зростанням щільності упаковки атомів. Упаковка залежить від атомних (іонних) радіусів, від типу зв’язку часток і валентності. Для багатьох мінералів характерна ситуація, коли великі іони (оксигену, сульфуру, хлору) мінералів утворюють надщільні упаковки, а катіони менших радіусів розташовуються між ними, і, відповідно, катіонів тим більше, чим менша їх валентність і більша валентність аніонів. Загалом густини мінералів з іонним або ковалентним кристалічним зв’язком нижчі, ніж у  мінералів з ковалентно-металевою і іонно-металевою формами зв’язку. Мінерали з іонною або ковалентною формою кристалічного зв’язку характеризуються середніми густинами від 2,2*10³ до 3,5*10³ кг/м³. Зміни густин обумовлені впливом багатьох факторів – появою більш важких або легких мінералів.

Основний вплив на густину рудних мінералів має їх середня відносна атомна маса, а на густину породоутворюючих мінералів – упаковка атомів (кристалічна гратка). 

Більшість породоутворюючих мінералів (ПШ, кварц, плагіоклаз) мають постійні (або дещо підвищені для піроксену  і форстериту) середні атомні маси. Тому зміна густини мінералу в основному обумовлена змінами щільності упаковки атомів у кристалічній решітці. Для силікатів – щільність упаковки зростає від каркасних до ланцюжкових і острівних. У рудних мінералах збільшення густини в основному пов’язані зі зміною маси при другорядному впливі структури (в атомах заповнюються субрівні d електронних оболонок), і набуває значень від 3,5*10³ до 7,5*10³ кг/м³. Ці мінерали мають ковалентно-металічний та іонно-металічний валентний зв’язок. Висока густина рудних мінералів обумовлена великим вмістом елементів з високою відносною атомною масою, малим радіусом атомів та часто щільною їх упаковкою – кубічною і гексагональною. Дуже широкі зміни густин характерні також для самородних металів, які мають металічні форми валентного зв’язку. Для польових шпатів відбувається підвищення густини від натрієвих до кальцієвих мінералів, а в поліморфних перетвореннях графіт-алмаз густина змінюється від 2,2*10³ до 3,6*10³ кг/м³ відповідно. Складні поліморфні альфа- і бета- переходи характерні для кремнезему, коли об’єм речовини може зменшуватися в 1,8 разів.

Для природних мінералів, які складають  гірські породи, характерні значні коливання густин, які в середньому мають значення сотень кг на кубічний метр. Це обумовлено явищами поліморфізму (зміна щільності упаковки атомів) та ізоморфізму (зміни маси та радіусу іонів),  дефектами структур, наявністю домішок. Проте варто зазначити, що кожна петрографічна група порід, утворена у визначених умовах, має визначений мінеральний склад, що і обумовлює значення їх густин в цілому.

Найбільші густини мають алмаз, магнетит, амфіболіти, гранати, ксенотим, пірит, циркон, хроміт та ін.. Найменші – сильвін, гіпс, графіт, опал, галіт та ін., ці  мінерали складаються з елементів з малою відносною атомною масою, їх атоми мають значні розміри та багато з них характеризуються рихлою структурою упаковки. Більшість мінералів мають середні густини. Непостійність густин обумовлена домішками.

Добре розроблена диференціація мінералів за густиною дозволяє використовувати цю величину для їх розпізнавання. А саме – виділення окремих членів ізоморфних рядів, наприклад, мінералів ряду плагіоклазів, які є ізоморфними сумішами альбіту і анортиту з густинами від 2,61до 2,77 г/см³. Густина породоутворюючих мінералів осадових порід змінюється від 1,85 (алофан) до 5,18 (пірит), рудних – від 2,33 (гідраргіліт) до 7,5 (галеніт), породоутворюючі мінерали магматичних порід – до 4 г/см³ і більше.

Густина гірських порід

Густина осадових порід. Густина осадових порід в природних умовах залягання залежить не лише від властивостей самої породи (густина твердої фази та пористості), але і від густини насичуючих флюїдів та їх співвідношення. Густина флюїдів визначається їх складом та мінералізацією води. Щоб виключити цю неоднозначність, в лабораторних умовах визначають густину сухих зразків шляхом їх гідростатичного зважування, яку можна перевести на певні конкретні пластові умови. Багаторазові досліди показали, що з глибиною не спостерігаються великі зміни густин осадових порід. Але, наприклад, зміни мінералогічної густини глинистих порід відбуваються, імовірно, за рахунок вижимання зв’язаної міжпластової води і збільшення вмісту оксидів заліза і рудних включень, отже один з найважливіших факторів, які визначають густину літологічно однотипних осадових порід, є їх загальна пористість, яка залежить від глибини їх залягання. Також зміни густини можуть відбуватися при пружних короткочасних деформаціях – виносі керну зі свердловини на поверхню, коли відбувається зміна об’єму пор в твердій фазі та об’єм флюїдів в порах, хоча в загальному їх вплив на зміну густини порід незначний, і може не враховуватися у практичних дослідженнях.

Сухі осади та осадові г.п. класифікуються за густиною на п’ять груп:

1 група – густина надмірно низька та дуже низька – (0,5-1,5)*10³ кг/м³, високопористі мули, крейда, трепели, опоки, туфи, торф, вугілля.

2 група – густина  низька та понижена – (1,5-2,5)*10³ кг/м³, багато осадових порід, включаючи кам’яну сіль, гіпс, боксити, метаморфізоване вугілля.

3 група – середня  густина – (2,5-3,5)*10³ кг/м³, густі осадові породи, магматичні, метаморфічні, вапняки і доломіти з рудними включеннями, ангідрити.

4 група – густина  підвищена або висока – (3,5-4,5)*10³ кг/м³, не вивітрені металічні руди.

5 група – дуже висока  і надмірно висока густина  – більше 4,5*10³ кг/м³, дуже густі різновиди свинцевих, олов’яних, поліметалічних руд з високим вмістом рудних мінералів.

Найбільш імовірний ряд густин осадових порід -  кам’яна сіль, гіпс – (2,0-2,3)*10³ кг/м³, пісковики - (2,1-2,4)*10³ кг/м³, алевроліти - (2,1-2,5)*10³ кг/м³, глини і аргіліти - (2,2-2,5)*10³ кг/м³, вапняки - (2,4-2,6)*10³ кг/м³, доломіти - (2,5-2,6)*10³ кг/м³, ангідрити - (2,8)*10³ кг/м³.

Густина магматичних порід. Найменшу густину мають породи кислого складу, вони мають високі вмісти кремнезему. Зростання густини в нормальному ряді від кислих порід до середніх і основних відбувається в результаті поступового зменшення вмісту мікрокліну і кварцу, збільшення вмісту і основності плагіоклазів, змін кількості рогової обманки. Також в районах рудних родовищ часто збільшується вміст акцесорних мінералів, що призводить до зростання густин порід. Найбільша середня густина магматичних порід – у ультра основних порід – (3,0-3,4)*10³ кг/м³. ще велике значення має озалізненість мінералів. Певним чином густини порід залежать від їх текстурно-структурних особливостей.

Збільшення густин в  нормальному ряді ефузивних порід  від кислих до основних відбувається за рахунок зростання вмісту фемічних оксидів і оксидів кальцію, з відповідним зменшенням вмісту кремнезему, оксидів калію і натрію. Крім того, густина порід збільшується від молодих до древніх.

Густина метаморфічних порід. Метаморфічні перетворення відбуваються від впливом змін термодинамічних умов їх залягання. При цьому відбувається ущільнення порід без зміни хімічного складу , а також більш глибокі хімічні зміни в результаті метасоматичних процесів (метасоматити). Якщо виключити метасоматити, то по загальному хімічному складу метаморфічні породи близькі до хімічного складу вихідних порід. Найбільші зміни густини відбуваються з ефузивними і осадовими породами (8-12 %)  через зменшення пористості на 1-2 %.

Динамометаморфізм призводить до перекристалізації, метасоматозу і селективного розплавлення порід, а отже, до збільшення густини.

Контактний метаморфізм  – зміна густини в результаті розшарування і перекристалізації  порід.

Гідротермально-метасоматичні  процеси – перехід порід з  більшою густиною в низькогустинний  серпентин.

Гіпергенез – заміна комплексу мінералів з більшою густиною на мінерали з меншою густиною, збільшення пористості до 20-25 %, і, в результаті, зменшення густини.

В результаті вивітрювання порід також спостерігається  зниження їх густин. 

Висновки

Отже, в даній роботі, присвяченій густині хімічних елементів, мінералів і гірських порід, були визначені:

• значущість даного параметру для визначення розрізу гірських порід;
• залежність густини від хімічного складу, від атомних радіусів, валентностей, щільностей кристалічних упаковок;
• залежність густини від пористості речовини, від вмісту флюїдів, мінералізації рідин;
• залежність густини від особливостей утворення і глибин залягання речовини.

Також в тексті реферату були наведені табличні дані для значення густини деяких речовин, проведено  їх порівняння та подані висновки щодо їх значень.

І ще одним важливим результатом  роботи була детальна обробка джерел інформації на дану тематику.

 

Список  використаної літератури

1. В.М.Добрынин, Б.Ю.Вендельштейн, Д.А.Кожевников «Петрофизика (Физика горных пород)»: Учеб.для вузов. 2-ое изд.перераб. и доп. Под. редакцией доктора физико-матемаческих наук Д.А.Кожевникова – М.: ФГУП Издательство « Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004, 368 с.
2. М.І.Толстой, А.П.Гожик, М.В.Рева, В.П.Степанюк, А.В.Сухорада «Основи геофізики (методи розвідувальної геофізики)»: Підручник. – К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006. – 446 с.
3. В.Н. Кобранова «Петрофизика». Учебник для вузов. – 2-е узд., перераб.и доп. – М.: Недра, 1986. – 392 с.
4. Н. Б. Дортман «Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика)». Справочник геофізика/Под ред.. Н.Б.Дортман, - 2-е узд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1984, 455 с.