Что Такое >  > г > горные породы

Что такое горные породы

горные породы   Большая советская энциклопедия

горные породы - природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин "Г. п." впервые в современном смысле употребил (1798) рус. минералог и химик В. М. Севергин.

Г. п. представляют собой механич. сочетания разных по составу минералов, в т. ч. и жидких. Процентное содержание минералов в Г. п. определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц Г. п. обусловливают её структуру и текстуру.

По происхождению Г. п. делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматич. и метаморфич. Г. п. слагают ок. 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы. В глубоких частях земной коры магма охлаждается медленно, хорошо раскристаллизовывается и из неё формируются кристаллич. зернистые породы, наз. интрузивными (граниты, сиениты, диориты и др.). Эти породы залегают в земной коре в виде батолитов, штоков, лакколитов и др. тел. Магма, излившаяся на земную поверхность в виде лавы вулканов, остывает быстро (часть её может не раскристаллизоваться, а затвердеть в виде вулканич. стекла), образуя эффузивные, или излившиеся, Г. п. (базальты, андезиты, липариты и др.), а также вулканич. туфы, представляющие собой сцементированные твёрдые продукты вулканич. извержений (пепел, лапилли, вулканич. бомбы и др.). Эффузивные породы часто залегают в виде лавовых потоков и покровов. Гл. породообразующими минералами магматич. Г. п. являются алюмосиликаты и силикаты (полевые шпаты, кварц, слюда и др.).

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких темп-р и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три осн. гене-тич. группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) - грубые продукты преим. механич. разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы - дисперсные продукты глубокого химич. преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы - продукты непосредственного осаждения из растворов (напр., соли), при участии организмов (напр., кремнистые породы), накопления органич. вещества (напр., угли) или продукты жизнедеятельности организмов (напр., органогенные известняки). Промежуточное положение между осадочными и вулканич. породами занимает группа эффузивно-осадочных пород. Между осн. группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. Характерной особенностью осадочных Г. п., связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных пластов.

Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматич. Г. п. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматич. тела и связанное с этим прогревание метамор-физуемой породы, а также воздействие отходящих от этого тела активных хим. соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактный метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма - высокие темп-ры и давления. Для регионально метаморфизованных Г. п. характерны сланцеватость, наличие ряда спе-цифич. минералов (кордиерит, андалузит, кианит и др.), а также структуры, иногда сохраняющие следы структур исходных пород (т. н. реликтовые структуры). Типичными метаморфич. Г. п. являются разные по составу кристаллич. сланцы, контактовые роговики, скарны, гнейсы, амфиболиты, мигматиты и др. Различие в происхождении и, как следствие этого, в минеральном составе Г. п. резко сказывается на их химич. составе и физич. свойствах.

Химич. состав магматич. Г. п., сложенных гл. обр. силикатными минералами, характеризуется большим богатством кремнёвой кислоты. По содержанию SiO₂ магматич. Г. п. делятся на кислые (св. 65%), средние (55-65%) и основные (менее 55%). Кроме того, выделяются более редкие, очень богатые SiO₂, ультракислые породы (некоторые апли-ты) и ультраосновные, содержащие менее 45% SiO₂ и очень много окиси магния. Породы, богатые щелочными металлами, выделяют под назв. щелочных. Породы, различающиеся по содержанию главных элементов, отличаются и по содержанию элементов-примесей. Так, к кислым породам приурочены повышенные концентрации Be, W, Sn, Pb, Zn, Cu, Au и др., а к основным-Ni, Cr, Pt. К щелочным породам часто приурочены большие концентрации фосфора. Помимо общей распространённости различных элементов, наблюдается специфич. приуроченность отдельных элементов и рудных месторождений к породам к.-л. региона (т. н. металлогенич. специфика интрузивов). Химич. состав осадочных Г. п. отличается от пород магматических гораздо большей дифференцированностью, широким диапазоном колебаний в содержании породообразующих компонентов [напр., SiO₂ изменяется от 0 (соли) до 100% (чистые кварцевые пески), СаО - от долей процента (чистые каолиновые глины) до 56% (известняки) и т. п.], повышенным содержанием воды, углекислоты, органического углерода, "избыточных летучих" (S, C1, В и др.), а также высокими отношениями окисного железа к закис-ному. Метаморфич. Г. п. по составу близки к материнским осадочным или магматич., хотя в них, в процессе перекристаллизации или метасоматоза, могут концентрироваться мн. рудные элементы, создавая рудные месторождения.

Как физическое тело Г. п. характеризуется группой базисных свойств, в к-рую входят плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрич. и магнитные свойства. Ниже приведены наиболее вероятные пределы изменения базисных свойств Г. п.:

Пористость - до 60%

Плотность - 800-8000 кг/м³

Модуль Юнга - 10-200 Гн/м²

Коэфф. Пуассона - 0,07 - 0,38

Предел прочности на сжатие - до 500 Мн/м²

Предел прочности на растяжение - до 20 Мн/м²

Удельная теплопроводность - 0,1 - 10 вт/(м*К)

Коэфф. линейного расширения - 1*10^-6-9*10^-5 1/°С

Удельное электрич. сопротивление - 10^-3-10¹⁴ ом*м

Относит. диэлектрич. проницаемость - 2-30

Относит. магнитная проницаемость - 0,9998-4

Свойства Г. п. обусловлены их минеральным составом и строением, а также внешними условиями. Важными параметрами, определяющими свойства Г. п., являются её пористость и трещиноватость. Поры могут быть частично заполнены жидкостью, поэтому свойства Г. п. зависят одновременно от свойств твёрдой, газообразной и жидкой фаз и их взаимного соотношения. Пористость и трещиноватость особенно важны при оценке Г. п. как коллекторов нефти и воды, а также скорости их притекания к источнику, буровой скважине н т. д. Ею же определяются влаго- и газоёмкость Г. п. и их водо-и газопроницаемость. В магматич. Г. п. количество газовых пустот может достигать 60-80% (пемзы и пемзовые туфы). В осадочных Г. п. поры создаются в момент осадкообразования (межзерновые поры) и могут закрываться или сохраняться при цементации. Большое количество пор возникает при накоплении пористых зёрен (раковины радиолярий и диатомовых). Метаморфич. Г. п. обычно бедны порами и имеют только трещины, вызываемые охлаждением Г. п.

С пористостью и минеральным составом тесно связана плотность Г. п., к-рая в породах, лишённых пористости, определяется слагающими их минералами. Рудные минералы имеют высокую плотность (до 5000 кг/м³ у пирита и 7570 кг/м³ у галенита); меньшая плотность характерна для минералов осадочных пород (напр., каменная соль имеет плотность 2100 кг/м³). Плотность Г. п. из-за пористости может сильно отличаться от плотности слагающих её минералов. Так, пемзовые туфы Армении имеют плотность ок. 800-900 кг/м³, граниты, мраморы, плотные известняки и песчаники - ок. 2600 кг/м³. Плотность Г. п. легко рассчитывается по минеральному составу и пористости; возможны и очень полезны обратные расчёты.

Такие свойства Г. п., как теплоёмкость, коэфф. объёмного теплового расширения и др. определяются в первую очередь минеральным составом, прочностные же и упругие свойства Г. п., их теплопроводность и электропроводность зависят гл. обр. от строения пород и особенно сил связей между зёрнами. Так, наличие преимущественной ориентировки зёрен приводит к анизотропии свойств. В создании анизотропии свойств может участвовать также ориентированная трещиноватость.

Свойства Г. п., определённые вдоль и поперёк слоистости или прожилковато-сти, как правило, отличаются друг от друга. При этом модуль Юнга, предел прочности на растяжение, теплопроводность, электрич. проводимость, диэлектрич. и магнитная проницаемости больше вдоль слоистости, а предел прочности на сжатие - поперёк слоистости. У мелкозернистых Г. п. прочностные свойства выше, а у крупнозернистых ниже. Особенно высокие значения предела прочности на сжатие имеют мелкозернистые породы с волокнистым строением (напр., нефрит до 500 Мн/м²). Низкий предел прочности на сжатие имеют мн. осадочные породы (каменная соль, гипс и др.). Упругие свойства пород определяют их акустич. (скорость распространения, коэфф. преломления, отражения и поглощения упругих волн) и электромагнитные свойства (соответственно скорости распространения, коэфф. поглощения, отражения и преломления электромагнитных волн). Г. п., как правило, плохие проводники тепла, причём с повышением пористости их теплопроводность ухудшается. Большей теплопроводностью обладают породы, содержащие полупроводники,- графит, железные и полиметаллич. руды и т. д. По электропроводности большинство Г. п. относится к диэлектрикам и полупроводникам. Магнитные свойства Г. п. в первую очередь определяются присутствующими в них ферромагнитными минералами (магнетит, титаномагнетит, гематит, пирротин).

Свойства Г. п. зависят также от воздействия механич. (давление), теплового (темп-pa), электрич., магнитного, радиационного (напряжённости) и веществ. (насыщенность жидкостями, газами и т. д.) полей. При насыщении скальных пород водой увеличиваются упругие параметры, теплопроводность, теплоёмкость, электрич. проводимость и диэлектрич. проницаемость; при насыщении водой легко растворимых минералов (галоидные соединения), а также глинистых пород их упругие и прочностные показатели уменьшаются. Изменение свойств пород под воздействием давления вызвано уплотнением пород, смятием пор, увеличением площади контакта зёрен. С увеличением давления обычно возрастают электропроводность, теплопроводность, прочность и т. д. Повышение темп-ры снижает упругие и прочностные и усиливает пластич. характеристики пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает теплоёмкость, электропроводность и диэлектрич. проницаемость. Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или к уменьшению упругих и прочностных свойств пород в зависимости от направления результирующих напряжений. Перестройка кристаллич. решётки минералов от нагрева (полиморфные превращения и др.) вызывает аномальные точки на графике зависимости свойств от темп-ры. Так, для кварцитов наблюдается миним. значение модуля Юнга и макс. значение коэфф. линейного расширения в точке полиморфного перехода бетта-кварца в альфа-кварц (573°С). Воздействие тепла приводит также к спеканию, разложению, плавлению, возгонке, испарению отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород. Напряжённость и частота электромагнитных полей оказывают наибольшее влияние на электромагнитные и радиоволновые свойства пород. Это обусловлено энергетич. воздействием полей на частицы пород, в результате чего происходит их электрич. и магнитная переориентировка (поляризация и намагничивание), возбуждение электронов и ионов. Так, повышение напряжённости приводит к росту электропроводности, диэлектрич. и магнитной проницаемостей.

Как объект горных разработок Г. п. характеризуются различными технологич. свойствами - крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью, взрываемостью и т. д. Крепость оценивает сопротивляемость пород механич. разрушению, абразивность - способность пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и т. д. С целью выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации Г. п. по технологич. свойствам (напр., в практике горного дела широко применяется классификация Г. п. по крепости, предложенная проф. М. М. Протодьяконовым-старшим).

Изучение вещественного состава, физич. и физико-химич. свойств Г. п. являются осн. источником информации в геофизике, геологии (в т. ч. инженерной) и в горном производстве. См. также Горное дело.

Лит.: Кузнецов Е. А., Петрография магматических и метаморфических пород, М., 1956; Барон Л. И., Логунцов Б. М., Позин Е. 3., Определение свойств горных пород, М., 1962; Ржевский В. В., Новик Г. Я., Основы физики горных пород, М., 1967; Ронов А. Б., Ярошевский А. А., Химическое строение земной коры, "Геохимия", 1967, № 11; Справочник физических констант горных пород, пер. с англ., М., 1969; Минералы и горные породы СССР, М., 1970; Швецов М. С., Петрография осадочных пород, М., 1958; Нuang W. Т., Petrology, N. Y., 1962. Г. Я. Новик, В. П. Петров, В. В. Ржевский, А. Б. Ронов.