Скачать презентацию ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ГЕОФИЗИКА Лекция Скачать презентацию ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ГЕОФИЗИКА Лекция

ПрГФ_2_3_КристСтр-ра.ppt

  • Количество слайдов: 29

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ГЕОФИЗИКА Лекция 3 ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ГЕОФИЗИКА Лекция 3

Магнитные фазовые переходы Переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное связан с поглощением тепловой энергии. Магнитные фазовые переходы Переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное связан с поглощением тепловой энергии. Он происходит при достижении веществом характерной для него температуры (точки Кюри). Обратный переход в ферромагнитное состояние идет при остывании ниже точки Кюри. Эти переходы относятся к категории переходов второго рода. При таких переходах скачком меняются вторые частные производные термодинамического потенциала G (T, P, H): теплоемкость c = 2 G / T 2, сжимаемость = 2 G / P 2, магнитная восприимчивость = 2 G / H 2. При фазовых переходах первого рода скачком изменяются первые частные производные G: скрытая теплота Q = G / T, плотность = G / P, намагниченность J = G / H). 2

Природа ферромагнетизма В кристаллических твердых телах энергия спин-орбитального взаимодействия WLS зависит от температуры. Она Природа ферромагнетизма В кристаллических твердых телах энергия спин-орбитального взаимодействия WLS зависит от температуры. Она возрастает с температурой и при достижении температуры Кюри разрушает магнитную упорядоченность ферромагнетика. При высокой температуре энергетически выгодна антипараллельная ориентацию магнитных моментов электронов валентных орбиталей. При низких температурах энергия электростатической связи атомов в кристалле Wк превышает WLS; это приводит к «замораживанию» орбитальных магнитных моментов электронов, которые более не влияют на суммарный магнитный момент атома. Поэтому ферромагнетизм обусловлен исключительно спиновыми магнитными моментами, что выявлено измерениями магнитомеханического отношения: его величина совпадает с s. 3

Ферромагнетизм переходных металлов определяется нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов недостроенных оболочек атомов. По правилу Ферромагнетизм переходных металлов определяется нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами электронов недостроенных оболочек атомов. По правилу Хунда магнитные моменты электронов в оболочке ориентируются так, чтобы их значения были максимальными. Наличие недостроенных оболочек является необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Из металлов с недостроенной 3 d-оболочкой (группа железа) к ферромагнитным относятся только железо, кобальт и никель. Ферромагнетизм возникает как следствие обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов при частичном перекрытии их энергий в твердом теле. Энергетически выгодной может быть антипараллельная или параллельная ориентация спиновых магнитных моментов. Параллельная ориентация – при температурах ниже точки Кюри. 4

Кристаллическая структура l Кристаллическая структура – параметры решетки, плотность упаковки атомов, симметрия, типы и Кристаллическая структура l Кристаллическая структура – параметры решетки, плотность упаковки атомов, симметрия, типы и концентрация дефектов и дислокаций. Это самый важный фактор распределения плотности и упругих модулей горных пород. l Широко распространенные горные породы имеют относительно небольшие вариации средней атомной массы от 20 до 23. Дифференциация по плотности и упругим свойствам горных пород, вызванная этим фактором, не превышает 10 %. l Чем плотнее упаковка атомов в решетке, тем выше плотность, упругие модули и скорости распространения сейсмических волн. l Многие породообразующие минералы: кварц, оливин, пироксены и другие в условиях высоких давлений претерпевают фазовые переходы от низкоплотных форм, равновесных на малой глубине, к плотным структурам с высокой симметрией решеток на больших глубинах в мантии. 5

Кристаллическая структура Средняя атомная масса Плотность упаковки Симметрия структуры Плотность Скорость упругих волн (+) Кристаллическая структура Средняя атомная масса Плотность упаковки Симметрия структуры Плотность Скорость упругих волн (+) (–) (+) Анизотропия скорости l Изменением параметров кристаллической структуры обусловлен разброс плотности и скоростей сейсмических волн от 1, 5 2 г/см 3 и 2 3 км/с (пески, песчаники на земной поверхности) до 5, 5 г/см 3 и 13, 5 км/с (мантия Земли у границы ядра). l Плотность упаковки увеличивается с давлением (глубиной залегания или образования породы). Наиболее плотную упаковку структуры, наибольшие значения плотности и скоростей сейсмических волн имеют породы нижней мантии. 6

Зонная электронная структура l l Электронная структура твердых тел описывается зонной теорией, основанной на Зонная электронная структура l l Электронная структура твердых тел описывается зонной теорией, основанной на приближенных решениях уравнений квантовой механики для многоэлектронных атомов. Основные закономерности электронной структуры : 1) энергетический спектр электронов в кристалле состоит из зон разрешенных энергий и запрещенных зон; 2) с увеличением энергии ширина разрешенных зон растет, а запрещенные зоны сужаются; 3) каждая зона содержит ограниченный набор уровней, в ней может находиться ограниченное число электронов; 4) электроны верхних уровней, волновые функции которых в кристалле перекрываются, не локализуются на атомах, они способны перемещаться, перенося импульс и энергию; 5) под действием электростатического поля в кристалле каждый энергетический уровень расщепляется на ряд подуровней. 7

Электронная структура и типы связей l l Влияние электронной структуры на физические свойства реализуется Электронная структура и типы связей l l Влияние электронной структуры на физические свойства реализуется через тип связей атомов в кристаллы. В этом аспекте удобно выделять не ядро и электронное облако, а ионный остов и валентные электроны. Ионный остов это ядро с неизменной структурой внутренних оболочек. Элементы многих соединений имеют валентные p-электроны, у которых орбитальное квантовое число l = 1. Их электронные орбитали ориентированы, что определяет образование направленных связей. Энергия по разным осям различна. Минералы – соединения на основе трех видов связей: ионной, ковалентной и металлической. Энергия этих связей – от 103 до 107 Дж/моль. Как правило, у ионных кристаллов она больше, чем у металлов. Значения энергии ковалентных связей (у разных соединений) располагаются во всем указанном диапазоне. От энергии связи атомов зависят температура плавления и прочность кристаллов. 8

Связи атомов в кристаллах l l 1. Ионная связь образуется между парами атомов, один Связи атомов в кристаллах l l 1. Ионная связь образуется между парами атомов, один из которых отдает, став катионом, а второй принимает (анион) электроны валентных оболочек для образования устойчивой конфигурации. Связь вызвана кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Эта связь образуется, если: – энергетический уровень соединения ниже, чем у исходных элементов (реакция экзотермическая); – заряды образующихся ионов невелики; – радиус катиона много больше радиуса аниона галогенов). Энергия этой связи велика 105 107 Дж/моль, ионные кристаллы имеют высокую температуру плавления, большую прочность. Связь не направлена, кристаллы обладают высокой симметрией, векторные свойства мало различаются по направлениям. Если не все условия выполнены, ионная связь дополняется ковалентной. 9

l l 2. Ковалентная связь осуществляется через общие для атомов электроны, орбитали которых перекрываются. l l 2. Ковалентная связь осуществляется через общие для атомов электроны, орбитали которых перекрываются. Часто эту связь реализуют p-электроны. Поэтому у ковалентных кристаллов сила связи в одних направлениях может быть много выше, чем в других. Ковалентные кристаллы часто имеют низкую симметрию, их векторные свойства анизотропны. Энергия связи 105 107 Дж/моль, что определяет высокую прочность, тугоплавкость этих соединений. Ковалентную связь имеют атомы многих чистых веществ, соединений углерода, азота, серы, кремния, алюминия, других p-элементов. 3. Металлическую связь обеспечивают свободные валентные электроны между узлами решетки. Энергия связи варьирует у разных металлов от 103 до 107 Дж/моль, она несколько ниже, чем ионная и ковалентная. Связь не направлена, металлические кристаллы имеют довольно высокую симметрию и малую анизотропию физических свойств. В кристаллах часто сочетаются ионная и ковалентная связи. 10

Кристаллическая решетка организуется по принципу энергетической выгодности, соответственно видам химической связи элементов и условиям Кристаллическая решетка организуется по принципу энергетической выгодности, соответственно видам химической связи элементов и условиям образования минерала. l Расположение ионов в узлах решетки, ее симметрия, плотность упаковки определяют физические свойства и их анизотропию. l Плотность зависит от средней атомной массы элементов и от упаковки решетки, которая определяется радиусами ионов. l Упругие свойства зависят от плотности упаковки и ее различий по разным направлениям (роль ковалентных связей). l Атом в решетке занимает потенциальную яму. Сжатие или растяжение кристалла вызывают упругую реакцию восстановления структуры или разрушение кристалла. l Ковалентные кристаллы прочны по одним направлениям и легко деформируются по другим. Металлическая связь обеспечивает большую прочность на сжатие и разрыв, но 11 допускает большие сдвиговые деформации и пластическое l

Изоморфизм, примеси l l Изоморфизм замещение близких по свойствам атомов. В изоморфных рядах варьируют Изоморфизм, примеси l l Изоморфизм замещение близких по свойствам атомов. В изоморфных рядах варьируют упругость, плотность и магнитная восприимчивость, реже электропроводность. Полевые шпаты – изоморфизм по Na и К (альбит ортоклаз) и по комплексам Na + Si и Ca + Al (альбит – анортит). Оливины изоморфизм по Mg и Fe (форстерит фаялит). Железные руды изоморфизм Ti Fe (титаномагнетит). Влияние изоморфных замещений на физические свойства пород невелико ввиду малых различий кристаллической структуры; здесь более существен состав, атомная масса. Примесные атомы по-разному искажают решетку, находясь в узлах и междуузлиях, создают добавочные энергетические уровни в зонной электронной структуре. Увеличивается электропроводность минералов, изменяются поглощающие свойства, цвет, пластичность, прочность, упругие свойства, в меньшей мере плотность и магнитные свойства, усиливаются 12 транспортные свойства (диффузия, теплопроводность).

Дефекты решетки Идеальные кристаллические решетки встречаются редко; они содержат разнообразные дефекты: точечные, линейные. К Дефекты решетки Идеальные кристаллические решетки встречаются редко; они содержат разнообразные дефекты: точечные, линейные. К дефектам относят упругие и тепловые возбуждения (фононы). Фононы кванты упругого или теплового возбуждения атомов в решетке. Фононы рассеивают все виды излучения: фотоны, рентгеновские лучи, нейтроны. Точечные дефекты: примесные атомы в узлах решетки, примесные или собственные атомы между узлами, вакансии отсутствие атомов в узлах. Концентрация дефектов в кристалле зависит от температуры: C(T) = C(0) exp( Ed / k. T), Ed энергия образования дефекта, ~ 1 э. В. Дефекты деформируют решетку. Они перемещаются – механизм переноса массы (диффузия), заряда (электропроводность), энергии (теплопроводность). От типа дефектов, их концентрации зависят упругие, оптические и термодинамические свойства кристаллов. 13

Типы дефектов l а) внедрение, атом примеси между узлами; b) вакансии, краевая дислокация; c) Типы дефектов l а) внедрение, атом примеси между узлами; b) вакансии, краевая дислокация; c) атом между узлами; d) вакансия; e, f) примесные атомы в узлах решетки, изоморфное замещение; g) краевые дислокации; h) замещение 14

Дефекты и физические свойства l l Дефекты решетки мало снижают плотность и упругие свойства Дефекты и физические свойства l l Дефекты решетки мало снижают плотность и упругие свойства минералов, т. к. в больших объемах число вакансий примерно равно числу атомов в междуузлиях. Тепловые фононы изменяют удельное сопротивление: – у металлов с увеличением Т оно увеличивается: колеблющиеся атомы в решетке – мишени для электронов; – у ионных кристаллов оно с ростом Т понижается : «горячие» ионы чаще покидают узлы решетки; – у ковалентных полупроводниковых минералов с ростом Т оно понижается: при высокой температуре валентные электроны легче преодолевают запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости. Тепловое возбуждение нарушает ориентацию магнитных моментов частиц, может ликвидировать магнитное упорядочение ферромагнетиков (при температуре выше точки Кюри). Точечные дефекты (вакансии, внедрения), определяют диффузию, вязкость, температуропроводность. Эта их роль возрастает с температурой. 15

Дислокации Это линейные дефекты. Они бывают краевыми и винтовыми (локальный сдвиг в решетке на Дислокации Это линейные дефекты. Они бывают краевыми и винтовыми (локальный сдвиг в решетке на величину ее параметра). С дислокациями связаны области дилатации и сдвига. Перемещение краевых дислокаций: скольжение и переползание. l Краевые дислокации возникают на границах блоков в процессе роста кристаллов: при деформации кристалла с образованием вакансий, взаимодействии дефектов и дислокаций в процессе кристаллизации, деформирования, больших изменениях температуры и давления. l Винтовые дислокации возникают при росте кристаллов вокруг зародыша дислокации, что энергетически выгоднее роста идеального кристалла. Концентрация дислокаций обусловлена условиями образования и напряжениями. Дислокации влияют на коэффициенты переноса (диффузии, температуропроводности, вязкости), прочность и пластичность. l Взаимодействие дислокаций приводит к понижению пластичности и повышению прочности металлов (ковка, прокат) и 16 других материалов (кристаллов). l

Дислокации и границы зерен 17 Дислокации и границы зерен 17

Полиморфизм l l Параметры решетки зависят от (P, T)- условий. Переходы одной структуры в Полиморфизм l l Параметры решетки зависят от (P, T)- условий. Переходы одной структуры в другую, равновесную в данных условиях, относятся к фазовым переходам первого рода, в которых скачками изменяются скрытая теплота Q, плотность , сжимаемость и др. Скрытая теплота Q бывает разных знаков: фазовые реакции – эндотермические (с поглощением тепла) и экзотермические (его выделением). Поэтому разные знаки имеют наклоны кривых фазовых равновесий (кривых Клаузиуса Клапейрона): d. P / d. T = Q 1 2 / T , где = 2 1 разность плотностей полиморфных фаз. Фазовые переходы перестраивают кристаллические решетки, для этого требуется энергия активации. Возможно существование метастабильных фаз в условиях, где они неравновесны, а также смешанных фаз вблизи условий равновесия. Переходы могут быть: нонвариантными (с точкой равновесия), моновариантными (равновесная кривая) и дивариантными (с 18 областью сосуществования фаз).

Полиморфизм l l l Минеральный состав горных пород, взаимоотношение минералов, их фазовое состояние определяются Полиморфизм l l l Минеральный состав горных пород, взаимоотношение минералов, их фазовое состояние определяются условиями кристаллизации, последующей эволюции и местонахождения. Изза полиморфизма минералов породы одного химического состава различаются по физическим свойствам. Полиморфизм минералов, фазовые переходы при изменении термодинамических условий одно проявление этого фактора. Другие: а) различие минеральной структуры эффузивных и интрузивных пород; б) метаморфические преобразования минералов в магматических и осадочных породах. В первом случае минеральный состав определяется условиями кристаллизации и дифференциации магмы, во втором воздействием флюидов на исходную породу в различных термодинамических условиях. Влияние этих факторов на физические свойства пород важно из-за значения магматических и метаморфических пород в структуре литосферы. 19

Метаморфизм и физические свойства l l Влияние метаморфизма на физические свойства магматических пород зависит Метаморфизм и физические свойства l l Влияние метаморфизма на физические свойства магматических пород зависит от температуры, давления, сдвиговых деформаций и состава привнесенных флюидов (типа метаморфизма). При региональном метаморфизме повышаются плотность и упругие свойства пород, особенно в фациях высоких давлений и температур гранулитовой и эклогитовой. За счет графитизации и появления магнетита возрастают электропроводность и магнитная восприимчивость пород фаций зеленых сланцев и амфиболитов по сравнению с неизмененными породами. Низкотемпературный метасоматоз: пример – серпентинизация гипербазитов. Оливин и пироксены превращаются в гидроокислы с меньшей (на 10 15 %) плотностью, но большей магнитной восприимчивостью. Метаморфизм осадочных пород ведет к большим изменениям физических свойств. Контактовый метаморфизм сопровождается образованием скарнов с резко повышенными плотностью и магнитной восприимчивостью и пониженным сопротивлением. 20 20

Макроструктура магматических пород l Макроструктура зависит от минерального состава, условий кристаллизации и эволюции. Она Макроструктура магматических пород l Макроструктура зависит от минерального состава, условий кристаллизации и эволюции. Она определяет плотность, упругие и тепловые свойства. Плотность магматических пород 21

Пористость, трещиноватость, флюидонасыщенность l Влияние этих факторов на физические свойства осадочных пород велико на Пористость, трещиноватость, флюидонасыщенность l Влияние этих факторов на физические свойства осадочных пород велико на глубинах до 3 5 км, а магматических и метаморфических пород в приповерхностных условиях. Пористость зависит от литологического состава пород; трещиноватость контролируется тектоническими факторами. Хотя геометрия нарушений структуры породы различна, воздействие на свойства пород имеет общие черты. l Оба эти фактора ведут к уменьшению плотности пропорционально общей пористости Kп = Vп/V. Для сухих пород уменьшение плотности c по отношению к минеральной плотности м составляет ( с м)/ м = Kп. В осадочных породах эта величина достигает 0, 2 0, 4. l Поры в естественном залегании заполнены жидкостью, и реальное уменьшение : ( м )/ м = Kп( м ж)/ м 0, 6 Kп. Примерно так же уменьшаются и скорости упругих волн. 22

Пористость влияет на зависимость плотности и упругих свойств от давления: коэффициенты = ∂ / Пористость влияет на зависимость плотности и упругих свойств от давления: коэффициенты = ∂ / P и v = v / P v при малых давлениях довольно велики, а затем нелинейно уменьшаются с ростом давления по мере закрытия пор. l l Ведущим фактором, определяющим электропроводность горных пород, является состав флюидов в порах. Электропроводность поровых вод зависит от их минерализации. Это сильный фактор: удельное сопротивление осадочных пород часто не зависит от состава скелета, определяясь исключительно составом и концентрацией флюидов. l Использование сведений о влиянии факторов состава и структуры горных пород на их физические свойства позволяет составить представления об основных закономерностях распределения этих свойств, опираясь только на геологические данные. Петрофизические материалы конкретизируют их. 23

Давление Плотность горных пород при высоких давлениях и температурах зависит от сжимаемости и коэффициента Давление Плотность горных пород при высоких давлениях и температурах зависит от сжимаемости и коэффициента теплового расширения. На рис. дана зависимость плотности и скорости продольных волн от давления для перидотита (по PREM). Нелинейность при малых Р связана с закрытием пор. Решетка не выдерживает давления выше критического, различного для разных минералов, но всегда зависящего, кроме того, от температуры. При критическом давлении происходит фазовый переход в структуру с более плотной упаковкой. 24

25 25

Температура l l Тепловое расширение = / T мало зависит от давления и температуры, Температура l l Тепловое расширение = / T мало зависит от давления и температуры, но обнаруживает зависимость от состава пород − содержания Si. O 2. С уменьшением Si. O 2 от 70 % в гранитах до 30 % в дуните уменьшается от 8 10− 6 K− 1 до 2 10− 6. Различия существенны для континентальной коры. В мантии около 10− 6 K− 1. Скорости сейсмических волн в условиях земной коры линейно зависят от температуры (от 0 до 500 o. C): v(T) = v(0) (1 v. T). Значения этих коэффициентов порядка (1 5) 10− 6 K− 1 и мало зависят от состава пород. Электропроводность пород на большой глубине в земной коре и верхней мантии определяется в основном температурой. Зависимость имеет вид (T) = (0) exp (Eo / 2 k. T). Энергия Eo разных минералов меняется на 5 порядков, от ~10− 18 Дж у эгирина до ~10− 13 Дж у берилла и серпентина. 26

27 27

Геотермы и положение астеносферы 28 Геотермы и положение астеносферы 28

l l l Удельное сопротивление мантийных пород при температуре выше солидуса понижается почти на l l l Удельное сопротивление мантийных пород при температуре выше солидуса понижается почти на два порядка из-за повышения концентрации расплава. Этот факт используется для изучения структуры астеносферы методом глубинных электромагнитных зондирований. Магнитная восприимчивость основных и ультраосновных пород, составляющих нижнюю часть земной коры и верхнюю мантию, мало меняется с температурой. Но когда температура достигает точки Кюри, происходит переход ферромагнетиков в парамагнитное состояние с резким уменьшением магнитной восприимчивости и намагниченности J. Для пород, намагничивающихся по ферромагнитному типу, характерна высокая температура Кюри Тс. Магнетит главный ферромагнитный минерал земной коры имеет Тс = 578 С. Температура Кюри ультрабазитов мантии (железо входит в решетки оливина и пироксенов) составляет 300 600 С. 29