Введение в геофизику Лекция 2 ПЕТРОФИЗИКА ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ

Введение в геофизику Лекция 2 ПЕТРОФИЗИКА ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

ТИПЫ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД Диагностические свойства – для распознавания горных пород, основа петрографических классификаций. Технологические свойства – при использовании горных пород как материалов, сырья или среды для инженерных сооружений. Свойства, определяющие характеристики процессов в массивах горных пород; в эту категорию входят все коэффициенты переноса: массы, импульса, энергии, термодинамические параметры, а также геофизические свойства, от которых зависит распределение геофизических полей и волн. Свойства, определяющие насыщение пород нефтью, газом, др. флюидами и миграцию этих флюидов: пористость, проницаемость важны в нефтегазовой геологии и промышленности. Классификация (как и другие) целевая. Распределение свойств по классам не альтернативно, одни свойства входят в разные классы. Все классы открыты: набор свойств может изменяться. 2

Многообразие определяющих факторов Изучение закономерностей распределения физических свойств горных пород – анализ роли структуры и термодинамических параметров среды на поведение горных пород в механических, электрических и магнитных полях. Определяющие факторы физических свойств горных пород – это характеристики состава и структуры пород, PT-условия и свойства физических полей, если они меняют свойства пород. Это допускает существование физических свойств двух типов по отношению к соответствующим процессам: – одни не зависят от параметров процесса, могут линейно (как коэффициенты) входить в уравнения, описывающие процесс; – другие принципиально связаны с параметрами процесса, их называют нелинейными. 3

Состав и структура минералов и горных пород Главные определяющие факторы физических свойств горных пород – их химический состав и структура. Химический состав определяется: а) структурой атомов числом протонов и нейтронов в ядрах, распределением электронов, зонной структурой; б) молекулярной структурой типами связей атомов, их координацией, силой, направленностью; в) изоморфизмом в кристаллической решетке минералов, акцессорными минералами в породе. Термины химический состав и структура взаимосвязаны. Структура горных пород определяется также: г) кристаллической структурой минералов: плотностью упаковки, симметрией, типами дефектов и дислокаций; д) минеральным составом; ж) пористостью, трещиноватостью, составом флюидов. 4

Взаимосвязь определяющих факторов Геофизические свойства (плотность, скорости сейсмических волн, удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость, магнитная восприимчивость, радиоактивные и тепловые свойства) в разной степени связаны со структурными факторами, для каждого свойства набор факторов индивидуален. Чем больше общие части этого набора факторов для разных свойств, тем сильнее свойства коррелируют друг с другом. Отсутствие общих факторов означало бы независимость физических свойств, но этого не наблюдается; определяющими для каждого из физических свойств являются, как правило, несколько факторов, хотя и с разной значимостью. Кроме того, сами факторы взаимозависимы: атомная и молекулярная структура в большой степени определяет черты макроструктуры пород. 5

Факторы атомной структуры Самое простое по набору атомных факторов свойство горных пород – радиоактивность. Она обусловлена распадом ядер тяжелых элементов, у которых нейтронов больше чем протонов, и неустойчивых ядер изотопов некоторых легких элементов. Горные породы радиоактивны только из-за концентрации таких элементов. Они входят в структуру горной породы как акцессорные. Даже в рудах, из которых добывают радиоактивные вещества, их содержание достигает десятых долей процента. В магматических породах концентрация радиоактивных элементов уменьшается с повышением основности –одно из проявлений корреляции радиоактивности с другими свойствами. Теплогенерация в горных породах прямо пропорциональна их радиоактивности. 6

Атомная структура Структура ядра Электронная структура Радиоактивность Плотность Электропроводность Намагниченность Состав ядра число протонов P (атомный номер), суммарное число протонов P и нейтронов N (массовое число М = P + N). Состав ядра как определяющий фактор физических свойств минералов и горных пород выражается средней атомной массой Mа, которая определяет плотность минералов и влияет на их упругие свойства. 7

Электронная конфигурация Электронная структура определяет тип магнетизма. Атомы с четным числом электронов по правилу Хунда антипараллельной ориентировки магнитных моментов электронов являются диамагнетиками. Они индуктивно намагничиваются противоположно намагничивающему полю. Атомы с нечетным числом электронов парамагнетики. Намагниченность имеет ориентационную природу, направление намагниченности совпадает с направлением поля. Парамагнитными являются переходные металлы с энергетической инверсией электронных оболочек (4 s 3 d в группе железа, 5 s 4 d в группе палладия, 6 s 4 f 5 d в группе платины, вокруг оболочки 5 f у актинидов). Парамагнетики при невысокой температуре приобретают магнитную упорядоченность в виде параллельной ориентации магнитных моментов электронов валентной оболочки (магнитный фазовый переход при температуре Кюри) и становятся ферромагнитными. 8

Типы проводимости Электронная зона заполняется снизу. Верхние зоны частично перекрываются. Верхняя разрешенная зона – валентная; следующая разрешенная зона проводимости. По распределению зон выделены 3 класса твердых тел. а) Диэлектрики: между заполненной валентной зоной и свободной зоной проводимости энергетический барьер > 5 э. В. б) Полупроводники: Валентная зона почти заполнена или почти пуста, между ними барьер < 5 э. В. в) Металлические проводники: между валентной зоной и зоной проводимости нет барьера, они перекрываются. 9

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: . Широко распространенные горные породы имеют небольшие вариации средней атомной массы от 20 до 23. Дифференциация горных пород по плотности и упругим свойствам, вызванная этим фактором, не превышает 10 %. Чем плотнее упаковка атомов в решетке, тем выше плотность и упругие модули. 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. 10

Средняя атомная масса Плотность упаковки Плотность Скорость упругих волн (+) (–) (+) Симметрия структуры Анизотропия скорости o 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). o Плотность упаковки увеличивается с давлением (глубиной образования породы). Наиболее плотную упаковку структуры, наибольшие значения плотности и скорости сейсмических волн имеют породы нижней мантии. 11

Зонная электронная структура 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 подуровни. 12

Электронная структура и типы связей 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 pэлектроны, у которых орбитальное квантовое число l = 1. Их электронные «облака» ориентированы, возможно образование направленных связей. Энергия по разным осям различна. Минералы – это 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 (разных соединений) располагаются во всем этом диапазоне. От энергии связи атомов зависят температура плавления и прочность кристаллов. 13

Связи атомов в кристаллах 1. Ионная связь образуется между парами атомов, один из которых отдает, став катионом, а второй принимает (анион) электроны своих 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 (от одного атома к другому передается 1 2 электрона); – радиус катиона много больше радиуса аниона (как у щелочных металлов и галогенов). Если не все условия выполнены, ионная связь дополняется другими. 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. 14

2. Ковалентная связь осуществляется через общие для атомов электроны, орбитали которых перекрываются. Часто эту связь реализуют p-электроны. Поэтому ковалентные соединения пространственно ориентированы; сила связи в одних направлениях может быть много выше, чем в других. Ковалентные кристаллы часто имеют низкую симметрию, их физические свойства обнаруживают анизотропию. Энергия связи 105 107 Дж/моль, что определяет высокую прочность, тугоплавкость этих соединений. Ковалентную связь имеют атомы многих чистых веществ, большинство 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. 15

Кристаллическая решетка В кристаллах часто сочетаются ионная и ковалентная связи. Кристаллическая решетка организуется по принципу энергетической выгодности, соответственно видам химической связи элементов и условиям образования минерала. Расположение ионов в узлах решетки, ее симметрия, плотность упаковки определяют свойства и их анизотропию. Плотность зависит от средней атомной массы элементов и упаковки решетки, которая определяется радиусами ионов. Упругие свойства зависят от плотности упаковки и ее различий по разным направлениям (роль ковалентных связей). Атом в решетке занимает потенциальную яму. Сжатие или растяжение кристалла вызывают упругую реакцию восстановления структуры или разрушение кристалла. Ковалентные кристаллы прочны по одним направлениям и легко деформируются по другим. Металлическая связь обеспечивает большую прочность на сжатие и разрыв, но допускает сдвиговые деформации и пластическое течение. 16

Изоморфизм, примеси 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 транспортные свойства (диффузия, теплопроводность). 17

Дефекты решетки Идеальные кристаллические решетки встречаются редко; они содержат разнообразные дефекты: точечные, линейные. В число дефектов включают возбуждения: упругие, тепловые, которые представляются квазичастицами фононами. 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 в междуузлиях, вакансии отсутствие атомов в узлах. Концентрация дефектов в кристалле зависит от температуры: C(T) = C(0) exp( Ed / k. T), Ed энергия образования дефекта, порядка 1 э. В. Дефекты деформируют решетку. Они перемещаются – это механизм переноса массы (диффузия), заряда (электропроводность), энергии (теплопроводность). От типа дефектов и концентрации зависят свойства кристаллов. 18

Типы дефектов 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 19

Дефекты и физические свойства o Дефекты решетки мало снижают плотность и упругие свойства минералов, т. к. в больших объемах число вакансий примерно равно числу атомов в междуузлиях. o 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. o Тепловое возбуждение нарушает ориентацию магнитных моментов частиц, может ликвидировать магнитное упорядочение ферромагнетиков (при температуре выше точки Кюри). o Точечные дефекты (вакансии, внедрения), определяют диффузию, вязкость, температуропроводность. 20 Эта роль возрастает с температурой.

Дислокации Это линейные дефекты. Они бывают краевыми (край части атомной плоскости внутри кристалла или на поверхности) и винтовыми (локальный сдвиг в решетке на ее параметр). С дислокациями связаны области дилатации и сдвига. Перемещение краевых дислокаций имеют формы скольжения и переползания. Краевые дислокации возникают на границах блоков в процессе роста кристаллов при различиях ориентировки решетки, при деформации кристалла с образованием вакансий, взаимодействии дефектов и дислокаций в процессах кристаллизации, деформирования, больших изменениях температуры и давления. Винтовые дислокации возникают при росте кристаллов вокруг зародыша винтовой дислокации, что энергетически выгоднее роста идеального кристалла. Концентрация дислокаций обусловлена условиями образования и механическими напряжениями. Дислокации влияют на коэффициенты переноса (диффузии, вязкости, температуропроводности), прочность и пластичность. Взаимодействие дислокаций приводит к понижению пластичности и повышению прочности металлов (ковка, прокат). 21

Дислокации и границы зерен 22

Полиморфизм o Это изменение параметров решетки в зависимости от термодинамических условий (P, T). Переходы одной кристаллической структуры в другую, равновесную в данных P-T -условиях, относятся к фазовым переходам первого рода, в которых скачками изменяются скрытая теплота Q, плотность , сжимаемость, теплопроводность, вязкость. o Скрытая теплота Q бывает разных знаков; фазовые реакции – эндотермические (с поглощением тепла) и экзотермические (его выделением). Разные знаки поэтому имеют наклоны кривых фазовых равновесий (кривых Клаузиуса Клапейрона): d. P / d. T = Q 1 2 / T , где = 2 1 разность плотностей полиморфных фаз. o 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. o Переходы могут быть: нонвариантными (с точкой равновесия), моновариантными (равновесная кривая) и дивариантными (области сосуществования фаз). 23

o 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. o Полиморфизм минералов, фазовые переходы при изменении термодинамических условий одно проявление этого фактора. o Более распространены: 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 велико из-за значения магматических и метаморфических пород в структуре литосферы. 24

Метаморфизм и физические свойства o Влияние метаморфизма на физические свойства магматических o o o пород зависит от температуры, давления, сдвиговых деформаций и состава флюидов (все это определяет тип 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. 25

Макроструктура магматических пород 26 Макроструктура зависит от минерального состава, условий кристаллизации и эволюции. Определяет плотность, упругие и тепловые свойства. Плотность магматических пород 26

Пористость, трещиноватость, флюидонасыщенность 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. 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. 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, но 27 здесь важны геометрия пор, скелета, степень связности пор.

o Пористость влияет на зависимость плотности и упругих свойств от давления: коэффициенты = ∂ / P и v = v / Pv при малых давлениях довольно велики, а затем нелинейно уменьшаются с ростом давления по мере закрытия пор. o 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. o 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. o Эти данные используются для выяснения закономерностей распределения физических свойств горных пород. 28

Давление Плотность горных пород при высоких давлениях и температурах зависит от сжимаемости и коэффициента теплового расширения. Это зависимость плотности и скорости продольных волн от давления в перидотите. Нелинейность при малых Р связана с закрытием пор. Решетка не выдерживает давления выше критического, различного у разных минералов, но всегда зависящего, кроме того, от температуры. При критическом давлении происходит фазовый переход в структуру с более плотной упаковкой. 29

30

Температура o Тепловое расширение = / T мало зависит от давления и температуры, но обнаруживает зависимость от состава пород − содержания Si. O 2. o С уменьшением Si. O 2 от 70 % в гранитах до 30 % в дуните, возрастает от 2 10− 6 до 8 10− 6 K− 1. Различия существенны для континентальной коры. В мантии около 10− 6 K− 1. o 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. o Электропроводность пород на большой глубине в земной коре и верхней мантии определяется в основном температурой. Эта зависимость имеет вид (T) = (0) exp (Eo / 2 k. T). Eo разных минералов меняется на 5 порядков, от ~10− 18 Дж у эгирина до ~10− 13 Дж у берилла и серпентина. 31

32

Геотермы и положение астеносферы 33

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. 34