Плотность газов, жидкостей и минералов

Газовая фаза. Плотность воздуха при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа равна 0,0012 г/см³, плотность углеводородных газов находится в пределах от 0,000715 (метан) до 0,00317 (пентан) г/см³.

Жидкая фаза. Природная поровая вода, плотность которой при температуре 20 °С в зависимости от минерализации изменяется от 1,01 г/см³ (пресная) до 1,24 г/см³ (предельно крепкий рассол), и смеси этой воды с нефтью, представляют собой жидкую фазу. Если последняя состоит из смесей нефти с водой, ее плотность определяется плотностями входящих в ее состав нефти и воды.

Плотность нефтей изменяется в зависимости от их химического состава от 0,72 до 1 г/см³ и редко бывает больше.

Минералы. Плотность твердой фазы пород определяет их минеральный состав. Коэффициент пористости этих сред мал (менее 1%), их плотность б_т примерно равна плотности б_м всего минерала.

Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов значительной относительной атомной массы, и чем плотнее атомы упакованы в единице объема. Упаковку определяют атомные (ионные) радиусы, валентности и тип связи частиц.

Влияние радиуса частиц легко показать, сравнивая плотность ионных кристаллов сильвина и галита. Хотя в состав сильвина входит атом калия с большей относительной массой, чем атом натрия, находящийся в молекуле галита, плотность сильвина (1,99 г/см³) меньше плотности галита (2,1-2,2 г/см³) за счет различия в ионных радиусах К и Nа, равных соответственно 0,0133 и 0,098 нм.

Зависимость плотности от валентности ионов в составе минералов, объясняется так. Крупные ионы (например, О^2-, S^2-, Сl^-) многих минералов образуют плотнейшие упаковки. Катионы меньшего радиуса располагаются между ними. Катионов между анионами может быть тем больше, а, следовательно, плотность минерала тем значительнее, чем меньше их валентность и выше валентность анионов.

Зависимость плотности от структуры минерала и плотности упаковки его атомов или молекул может быть показана на примере одинаковых по химическому составу, но различных по структуре минералов. Хотя графит и алмаз имеют идентичные химические составы, структура их резко различна. Графит характеризуется слоистой структурой при расстоянии между слоя­ми 0,34 нм и расстоянии между атомами в слое 0,142 нм, а алмаз — более плотной структурой с расстоянием между атомами 0,154 нм, это сказывается на плотностях этих минералов, равных соответственно 2,2 и 3,5 г/см³. Плот­ность, для большинства минералов, изменяется от 0,98 для льда до 22,5 г/см³ для иридистого осмия. Минера­лы классифицируются на плотные (6_т>4), средней (б_т= 2,5-4,0) и малой (б_т<2,5 г/см³) плотности.

Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности.

К плотным минералам относятся: селен, теллур, самородные металлы, сульфиды, более половины окис­лов и гидроокислов, редкие из силикатов (торит, циркон и др.), редкие из фосфатов (монацит, карнотит и др.), некоторые из карбонатов (церуссит, витерит и др.), вольфраматы (шеелит, вольфра­мит и др.), некоторые из сульфатов (барит, англезит и др.), хлоридов и бромидов: бромирит, каломель и др. В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой относительной атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь), они также характеризуются относительно малым атомным (ионным) радиусом; у этих минералов обнаруживается и плотнейшая укладка атомов – кубическая и гексагональная.

К минералам малой плотности принадлежат – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минералы класса силикатов (монтмориллонит); водные карбонаты (сода); водные сульфаты, галит, сильвин. Минералы малой плотности содержат элементы с малой относительной атомной массой (водород, углерод, кислород, натрий, кремний, сера, хлор, калий и др.); многие из них (лед, графит, кальцит и др.) характеризуются рыхлой структурой.

Плотность породообразующих минералов осадочных горных пород изменяется от 1,85 (для аллофана) до 5,18 г/см³ (для пирита), причем большинство из них является минералами средней плотности. Плотность рудных минералов достигает больших значений, изменяясь от 2,3 (гидраргиллит) до 7,5 г/см³ (галенит). Плотность породообразующих минералов магматических пород достигает 4 г/см³ и более.

Плотность пород

Твердая фаза.Плотность твердой фазы пород является средневзвешенной плотностью составляющих ее минералов.

Выше всего, за исключением гидроаргиллитов и бокситов, и обычно от значений >3,5 до <5,5 г/см³ изменяется плотность твердой фазы руд, так как в ней значительны концентрации плотных минералов (пирротин, халькопирит, галенит, сфалерит, пирит, халькопирит).

Плотность твердой фазы магматических, метаморфических, известково-магнезиальных пород ниже плотности б_труд и изменяется от 2,5 до 3,5 г/см³. У магматических пород 6_т возрастает от кислых (граниты и др.) к основным (габбро и др.) и ультраосновным (перидотит, пироксенит), так как в этом направлении возрастает содержание в твердой фазе пород железисто-магнезиальных минералов (оливин, пироксены, слюды) или их компонентов (FеО, Fe₂0з, СаО, Мg0).

Наибольшие плотности твердой фазы имеют известняки и доломиты, содержащие примеси железистых минералов (пирит, глауконит, сидерит и др.); наименьшие — породы с примесью опала, каолинита и других менее плотных минералов, наиболее вероятны значения б_тизвестняков от 2,71 до 2,74, а доломитов от 2,8 до 2,9 г/см³.

Плотность твердой фазы песчаных, алевритовых и глинистых пород снижается до 2,2 г/см³. Максимальные значения (большие 3,5 г/см³) рассматриваемой плотности этих пород практически не отличаются от плотности 6_т известково-магнезиальных пород. Это объясняется тем, что в составе этих пород, находятся примесные и акцессорные минералы значительной плотности (гранат, циркон, рутил, лимонит, ильменит, роговые обманки, пирит, глауконит, сидерит).

Плотность твердой фазы соляных пород. У мирабилита примерно равна 1,5 г/см³, у каменной соли 2,1-2,2 г/см³, у гипсов 2,3 г/см³. Однако мак­симальные значения плотности твердой фазы у этой группы пород достигают значений более 3 г/см³ (например, у ангидритов с примесями пирита, марказита и других плотных минералов).

Плотность твердой фазы кремнистых пород изменяется от 2 (для диатомита, породообразующий - опал) до >2,65 г/см³ (для яшмы и кремней с породообра­зующим халцедоном, опалом или кварцем).

Самые низкие значения плотности б_т установлены для графита и углей, б_т этих пород 1,25-2,27 г/см³. Низкие значения б_т отвечают чистым углям, содержащим 85% углерода. У них мало минеральных примесей (кварца, глинистых минералов, пирита).

Сухие осадки и породы.Сухие осадки и породы по значениям их плотности 6_с, можно подразделить на пять групп:

I группа – осадки и породы очень низкой плотности б_с (от 0,5 до 1,5 г/см³). Эта группа объединяет осадки и породы с очень высокими коэффициентами пористости (высокопористые илы, разности глинистых, песчаных, алевритовых пород, мела, диатомитов, трепелов, опок, пепловых туфов и др.), а также породы как с высокими, так и с низкими значениями коэффициентов пористости, но с аномально малой плотностью, бт торф и различно метаморфизованные угли.

II группа – породы низкой и пониженной плотности б_с (от 1,5 до 2,5 г/см³). В нее входят высокометаморфизованные и зольные угли, осадочные породы (глинистые, алевритовые, песчаные, известково-магнезиальные, соляные, гипсы, бокситы, пористые и выветрелые разности оловянных, полиметаллических и других руд, некоторые разности графитовых пород.

III группа – породы средней плотности б_с (от 2,5 до 3,5 г/см³). Группу представляют плотные осадочные, магматические и метаморфические породы, такие, как песчаники, алевро­литы, аргиллиты, известняки, доломиты с рудными включениями и плотным цементом, ангидриты, дунит, габбро, гранит, сланцы, роговики, бокситы, разности графитовых пород, сульфидные медно-никелевые, медные, железные и полиметаллические руды.

IV группа – породы повышенной и высокой плотности б_с (от 3,5 до 4,5 г/см³). В эту группу входят невыветрелые оловянные, сульфидные медно-никелевые, железные, хромитовые и полиметаллические руды, за исключением некоторых разностей сульфидных медно-никелевых, оловянных, полиметаллических и медных руд.

V группа – породы с очень высокой и чрезвычайно высокой плотностью б_с (> 4,5 г/см³). Группу представляют очень плотные разности оловянных, сульфидных медно-никелевых, полиметаллических и медных руд с очень высоким содержанием рудных минералов.

Наиболее вероятные значения б_с различных типов важнейших групп осадочных пород возрастают согласно следующему ряду: песчаники (2,1-2,4); алевролиты (2,1-2,5); глины (2,2-2,4); известняки (2,4-2,6); доломиты (2,5- 2,6); ангидриты (2,8 г/см³ и более).

Влажные породы.Плотность 6_пмаксимально влажных высокопористых пород выше их плотности б_с. Плотности б_п и б_с низкопористых пород различаются незначительно. Это хорошо согласуется с плотностными различиями воды и воздуха. Плотность нефтенасыщенных пород ниже плотности максимально влажных пород, так как плотность нефти меньше плотности воды.

Плотность осадочных пород

Плотности б_с и 6_п осадочных пород отдельных типов песчаных, алевритовых, глинистых, известковых и других групп увеличиваются с глубиной их залегания и возрастом.

Установлены определенные закономерности регионального площадного изменения средней плотности одновозрастных толщ, обусловленные изменением состава, мощности, глубины залегания и структуры слагающих их пород.

Средняя плотность терригенных пород нередко уменьшается к своду локальных положительных структур в связи с тенденцией обломочных пород становиться в этом направлении грубее. К своду локальных структур обычно уменьшается глинистость обломочных пород и возрастают их отсортированность и пористость, что приводит к снижению плотности пород. Реже наблюается обратная закономерность в распределении пористости и плотности.

Определенная закономерность в распределении плотности отмечается в карбонатно-глинистых толщах. При их образовании карбонатный материал размещается в повышенных, а глинистый – в пониженных участках палеорельефа дна. Это приводит к увеличению плотности на участках развития карбонатных пород.