СТРОЕНИЕ И СОСТАВ МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД

Под минералом понимают природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в земной коре. К минералам относятся все самородные металлы и неметаллы. Всего известно около 3000 различных минералов. В большинстве это твердые кристаллические химические соединения.

Устойчивые агрегаты (парагенетические ассоциации) одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела, называются горными породами.

Кристаллы минералов имеют свою пространственную решетку, соответствующую закону распределения вещества внутри кристалла. Известно семь типов (сингоний) кристаллических решеток, характеризующихся отношениями величин кристаллических осей a, b и с (наименьших расстояний между узлами решетки в трех направлениях) и углов между ними а, р и у (рис. 1.1).

Кристаллические агрегаты минералов имеют определенную макроструктуру, характеризующуюся размерами, формой кристаллов и их взаимным расположением.

По химическому составу минералы делятся па шесть основных групп: самородные элементы, сульфиды, оксиды, силикаты, соли кислородных кислот, галогениды.

Тип и название горных пород определяются их минеральным составом (относительным содержанием в породе минералов) и строением (видом сложения горных пород из минералов и минеральных агрегатов).

В строении горных пород различают структуру и текстуру. Структура — это размеры, форма и взаимное расположение минералов в породе. Текстура — особенности, взаимное расположение и ориентировка более крупных составных частей породы (минеральных агрегатов).

Физика горных пород изучает состав и строение пород с целью выявления количественных зависимостей от них свойств, состояния и физических процессов в породах.

В связи с этим параметры строения и состава пород должны быть выражены количественно. Практически любая состоит из минерального и порового объема. Поровый объем оценинается относительным объемом всех пор (пустот), заключенных в породах между минеральными частицами пли их агрегатами. Относительный объем называется общей пористостью Р (%) и выражается формулой

(1.1)

где Кп —объем пор, м³; V₀ — объем минерального скелета, м' Отношение объема пор к объему минерального скелета' породы

К (1.2)

называется коэффициентом пористости

Из формул (1.1) и. (1.2) вытекает, что

(1.3)

По происхождению поры делятся на первичные сформированные при образовании пород, и вторичные, появившиеся в результате процессов метаморфизма, выщелачивания, перекристаллизации и т. п.

По величине поры подразделяются на субкапиллярные (диаметр пустот менее 0,2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0,2 — 100 мкм) и сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Практически к порам в породах следует относить пустоты любых размеров и форм, однако такие пустоты в породах, как трещины и каверны, принято выделять, и рассматривать отдельно.

По форме поры могут быть самого различного типа — межзеренные, пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т. д. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют форму норового пространства породы. Последняя, в свою очередь, обусловливает различные физические процессы, например перемещение в породах воды и газов.

Поры часто могут соединяться с внешней средой и между собой, образуя сплошные извилистые каналы. Общий объем таких пор, отнесенный к объему всей породы, называется открытой (эффективной) пористостью Р_эф. При этом Р_эф<Р.

Пористость горных пород изменяется в значительных пределах: бывают породы практически непористые и такие, в которых пористость достигает 90%. В среднем же пористость горных пород составляет 1,5—30 % .

Высокой пористостью обладают осадочные породы. Средняя пористость сланцев равна 8%, песчаников—15%, известняков— 5—10%. Пористость магматических nоpoд обычно незначительна. Исключение составляют изверженные разности пород, таких, как туфолавы, трахит (Р = 55-60 %). Выветрившиеся магматические породы также имеют высокую пористость.

Пористость зависит от формы и размеров зерен, слагающих породу, степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности. Если породы сложены частицами одинакового размера, то наименьшей пористостью обладают породы с окатанными зернами, наибольшей — с угловатыми плоскими. Даже при одних и тех же размерах и форме частиц горной породы пористость может быть различной из-за разного взаимного их расположения.

У равномерно-зернистых сцементированных пород пористость больше, чем у неравномерно-зернистых, так как в последнем случае промежутки между крупными частицами заполняются более мелкими.

Минеральный объем породы описывается следующими параметрами строения: размером и формой зерен; неоднородностью зерен по размерам и форме; относительным содержанием составляющих зерен каждого размера и каждой формы; взаимной ориентацией зерен; степенью связи между зернами породы

Из приведенного перечня параметров взаимная ориентация относится к текстурным признакам породы, остальные параметры — к структурным.

По размеру зерен породы делятся на крупно-, средне- и мелкозернистые, скрытокристаллические и стекловатые.

По форме минеральных зерен метаморфические породы бывают гранобластовые (изометричные зерна), лепидобластовые (пластинчатая форма), нематобластовые (столбчатая форма) и др.

По неоднородности в размерах и форме зерен выделяют различные порфировые или порфировидные структуры.

По ориентации частиц породы и наличию пустотности породы подразделяют на массивные, пористые и слоистые.

Перечисленные характеристики строения пород имеют количественное выражение.

Так, размер минеральных зерен оценивают по среднему их диаметру d_cp. Форма минеральных зерен и пор характеризуется коэффициентом kф_Р, являющимся отношением их максимальных размеров l к взаимно перпендикулярным минимальным d.

Неоднородность зерен по размерам определяют по вариационным графикам, па которых по оси ординат откладывают относительное содержание частиц соответствующего диаметра, а по оси абсцисс — значения их диаметров (рис. 1.2, а).

Отношение максимального диаметра зерен, занимающих 90% площади образца (d₉₀), к максимальному диаметру зерен, занимающих 10 % площади образца (d₁₀),

K_H._P = (d₉₀/ d₁₀)>l (1.4) называется коэффициентом неоднородности породы по размерам зерен.(рис.1.

Аналогично коэффициент неоднородности формы зерен (рис. 1.2, б)

Кн. ф = Кфр ₉₀ /Кфр ₁₀ (1.5)

Для определения коэффициента ориентации путем изучения шлифа находят суммарные относительные размеры а', б' и с' всех кристаллов данного минерала в четырех главных направлениях 1—IV (рис. 1.2, в и г). Результат может быть представлен в виде эллипса ориентации. Коэффициент ориентации k₀ равен отношению наиболее длинной оси эллипса б' к взаимно перпендикулярной оси с'. При этом указывается направление большой оси эллипса анизотропии (если образец был предварительно привязан к элементам залегания массива).

Слоистость горных пород оценивают численно при помощи коэффициента относительной слоистости /7_С, равного количеству прослойков (или плоскостей ослабления), приходящихся па единицу размера образца, перпендикулярного слоистости.

Поровое пространство пород может быть также количественно описано всеми перечисленными параметрами строения (dсp, kфp, kн.р, kнф, k₀.).

Минеральный состав, пористость и строение горных пород определяются их генезисом и воздействием различных внешних

Рис 1.2 К расчету параметров строения: коэффициентов неоднородности по размерам Кнр и форме Кнф (б) зерен лабрадорита; коэффициента ориентации по шлифу (в) и эллипса анизотропии (г): a'=∑(ai/D); б=∑(бi/D), где D —диаметр шлифа

факторов (движением земной коры, деятельностью ветра и воды, давлением, температурными колебаниями) в течение всего периода их существования.

Как известно, горные породы по происхождению делятся на три большие группы: магматические, осадочные и метаморфические.

 

Отдельные частицы горных пород могут иметь различную степень взаимного сцепления, обусловленного силами структурных связей между ними.

По своей природе структурные связи могут быть химическими (кристаллизационными, обладающими наибольшей энергией связи — до 1,4 МДж/моль),молекулярными (вандерваальсовыми, с наиболее слабой энергией связи — до 45 КДж/моль) и ионно-электростатическими (с энергией cвязи до 0,7 МДж/моль).

В зависимости от характера преобладающего типа связей выделяют следующие основные типы пород:

рыхлые (раздельно-зернистые)— связи между зернами молекулярные и часто практически отсутствуют, породы представляют собой механические смеси частиц одного или нескольких минералов (пески, гравий, галечник);

твердые (скальные) — связь между частицами минералов жесткая, химическая (песчаники, граниты, диабазы, гнейсы);

 

Рис. 1.3. Соотношение объемного содержания углерода Vc и массового содержания минеральных компонентов ти в промышленных углях (заштриштриховано) и углистых породах

 

 

связные — связи между дисперсными частицами породы сильно меняются в зависимости от влажности — от молекулярных в плотном сухом состоянии до ионно-электростатических в увлажненном состоянии (глинистые породы, лёссы, суглинки). Среди осадочных горных пород по своим параметрам состава и строения особо выделяется группа пород органического происхождения, представляющих собой смеси соединений углерода с водородом, азотом, серой, кислородом. Эти породы являются важнейшим источником энергии. По оценкам специалистов, природные ресурсы энергии, заключающиеся в органических ископаемых, составляют 2-Ю¹⁷ МДж.

Наибольшее значение среди горных пород органического происхождения имеют ископаемые угли. Состав углей характеризуют отдельно по органической массе и минеральным включениям.

Органическая масса углей оценивается по содержанию углеродных микрокомпонентов, различимых под микроскопом: витрена, кларена, дюрена и фюзена.

Витрен — однородная черная блестящая и хрупкая разновидность угля. Кларен — полублестящий уголь. Дюрен — вязкий матовый и зернистый уголь. Фюзен — волокнистый рыхлый серовато-черный уголь.

Молекулярная структура органической массы угля ввиду своей сложности до настоящего времени исследована не полностью. По существующим представлениям угольное вещество рассматривается или как коллоидная система, или как среда, имеющая надмолекулярное строение.

Содержание углерода в сухой беззольной массе углей зависит от степени их метаморфизма. Так, наименее метаморфизованные длиннопламенные угли содержат 76—79 % углерода, антрациты — 93—95 %.

Не углеродные составляющие угля присутствуют в нем в виде минеральных включений и элементов-примесей. Включениями в угле могут быть различные минералы — кварц, глины, пирит, кальцит и др. Относительное массовое содержание этих минеральных компонентов, переходящих при сгорании углей в золу, называется зольностью углей. Она находится в пределах 5—50 % (рис. 1.3).

Качество углей снижается при наличии в них серы. Общее содержание серы в углях колеблется от долей процента до 5— 6%. Каменные угли Кузбасса, например, содержат серы в 5—10 раз меньше, чем угли Донбасса.

Элементы-примеси в углях представлены обычно германием, галлием, ураном, медью, бериллием, молибденом, ванадием. Содержание микроэлементов в углях достигает 500— 600 г/т.