Магнитная восприимчивость, плотность, электропроводность

Магнитная восприимчивость, плотность, электропроводность

Курсовая работа по дисциплине

«Физика горных пород»

Тема «Магнитная восприимчивость, плотность, электропроводность»

Содержание

Введение

Глава I. Теоретическая часть

§ 1.   Классификация минералов по электропроводности

§ 2.   Процессы, протекающие в горных породах под действием электрического поля, характеризует диэлектрическая проницаемость

§ 3. Физические свойства бурых углей и антрацитов

§ 4. Метаморфическое преобразование керогена

§ 5. Изменение физических параметров гипербазитов в процессе их месоматических преобразований

Глава II. Петрофизика месторождения Джезказган

§ 1.   Краткая геологическая характеристика месторождения

§ 2.   Петрофизическая характеристика месторождения

Глава III. Петрофизическая модель месторождения

§ 1.Понятие петрофизической модели

§ 2. Петрофизическая модель месторождения

Глава IV. Специальное исследование

Заключение

Использованная литература

горная порода плотность электропроводность

Введение

Физика горных пород (петрофизика) - научная дисциплина, изучающая физические свойства горных пород в зависимости от их состава, структуры, условий образования и последующих изменений.

Петрофизика играет роль фундаментальной науки по отношению к геофизическим методам. Петрофизика использует ряд методов исследования веществ, позволяющих с высокой точностью измерять большое количество разнообразных параметров горных пород. К ним относятся: плотность, различные виды пористости, магнитная восприимчивость, электропроводность и т.д. Несомненное достоинство петрофизических методов исследований является возможность изучения вещества Земли на любых глубинах с помощью каротажа и тонкие скрупулезные лабораторные измерения горных пород и руд на образцах.

Поэтому целью курсовой работы является приобретение навыка поиска, анализа, обобщения и изложения петрофизической информации.

Для поставленной цели сформулированы следующие задачи:

Распределить минералы табл.2 по петрофизическим группам;

Ответить на контрольные вопросы, поставленные в конце глав учебника;

Дать объяснение петрофизической зависимости, приведенной на рисунках учебника;

Составить петрофизическую характеристику рудного месторождения;

Описать петрофизическую модель рудного месторождения;

Сделать специальное задание.

Исходные материалы: данные по электрическим, магнитным и плотностным свойствам горных пород, приведенные в учебнике по физике горных пород, а также в лекционном курсе; геологические сведения о рудных месторождениях из учебника.

Глава I. Теоретическая часть

§ 1. Классификация минералов по электропроводности

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление (r) минералов.

*приведен упрощенный состав

** минералы могут иметь меньшее r в связи с присутствием вкрапленностей сульфидов и оксидов железа.

ГКВ - галоиды, карбонаты, вольфраматы

Сил.и алюмосил. - силикаты и алюмосиликаты

Существует два типа кристаллохимических связей, которые обеспечивают повышенную электропроводность минералов:

Ковалентная - химическая связь, в которой у двух атомов имеется общая пара электронов, по одному из каждого атома.

Металлическая - химическая связь, которая обусловлена взаимодействием положительных ионов металлов.

§ 2.Процессы, протекающие в горных породах под действием электрического поля, характеризует диэлектрическая проницаемость

Вещества в электрическом поле испытывают упругую, релаксационную и структурную поляризации.

Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т.е. 10-12 - 10-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэлектриков с упругой поляризацией обычно составляет 4 - 15, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).

Релаксационная (тепловая) поляризаия характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.

Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление которых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.

Наконец, в многофазных горных породах наблюдается структурная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в пределах радиочастот (10-4 - 10-10 с).

§3. Физические свойства бурых углей и антрацитов

Условия преобразования углей представлены в схематическом виде на рис.1. По мере возрастание глубины погружения Н, а значит температуры и давления, приводит к увеличению в углях углерода за счет потери ими воды, кислорода и водорода. И в результате изменяется качество углей: по мере увеличения степени метаморфизма бурые угли с содержанием углерода меньше 78% сменяются каменными, а затем антрацитами (С>93%).

Рис.1. Условия образования и свойства углей и угленосных отложений.

Дальнейшее увеличение метаморфизма углей вызывает не только смену качества углей, но и изменение типа их электропроводности. Образуется минерал-полупроводник антрацит с высокой электропроводностью. И рост сопротивления резко сменяется его падением. Изменяется на противоположное и соотношение удельного сопротивления углей и вмещающих их пород. У бурых углей удельное электрическое сопротивление выше, чем у вмещающих их пород, у антрацитов, напротив, ниже. Следствием этого является разный знак аномалий сопротивления над углями разного качества.

Рис.2. Физические свойства углей в зависимости от глубины погружения осадков (Н) и метаморфизма (по материалам В.В.Гречухина, 1980).

Ход изменения плотности и скорости упругих колебаний углей при их метаморфизме принципиально не отличается для таковых у вмещающих пород: при увеличении метаморфизма и увеличении содержания в углях углерода закономерно увеличиваются их скорость и плотность. Поэтому антрациты характеризуются большой плотностью и скоростью (рис.2.).

§4. Метаморфическое преобразование керогена

Такое распределение месторождений углеводородов в вертикальном разрезе земной коры связано с двояким воздействием температуры на преобразование органического вещества. Сначала повышение температуры вызывает превращение керогена в нефть. Оптимальный уровень нефтеобразования соответствует приближенно 100-120ºС.

Дальнейшее повышенние температуры вызывает разрушение (деградацию) нефти, проявляющееся в увеличении ее плотности и выделение газа. Конечным продуктом разрушения (метаморфизма) нефти является газ метан и высокоуглеродный твердый продукт графит. На этом и заканчивается преобразования органического вещества. Соответствует это температур - 200ºС и средней глубине погружения 5-7 км (в зависимости от геотермического градиента), началу метаморфического преобразования пород.

§5. Изменение физических параметров гипербазитов в процессе их месоматических преобразований

Рис.4. Изменение физических параметров гипербазитов в процессе их метасоматических преобразований (Саянский комплекс):

- 2 - участки поля корреляции с разной плотностью точек; 3 - 7 - центры распределения; 3 - серпентинизированные дунит гарцбургиты; 4 - серпентиниды с ядрами дунит гарцбургитов; 5 - серпентиниты; 6 - тальк - карбонатные метасоматиты; 7 - кварц - карбонатные метасоматиты.

На рис.4 даны петрофизические данные по ультраосновным породам. Сразу отметим, что метасоматические преобразования ультраосновных пород существенно изменяют их петрофизическую характеристику: при серпентинизации происходит увеличение намагниченности и уменьшение плотности пород; в ходе последующей карбонитизации намагниченность и уменьшение плотности пород; в ходе последующей карбонатизации намагниченность резко понижается, а плотность увеличивается. По каждому из параметров интервалы значений отдельных разновидностей пород существенно перекрываются. Кварцево - карбонатные и тальк - карбонатные метасоматиты практически неразличимы по магнитной восприимчивости, но отличаются по плотности. Кварцево - карбонатные метасоматиты и серпентиты с ядрами дунит - гарцбургитов близко по плотности, зато хорошо разделяются по магнитной восприимчивости. Таким образом, по значениям двух петрофизических параметров отдельные разновидности пород хорошо обособлены и узнаваемы.

Глава II. Петрофизика месторождения Джезказган

К стратиформным месторождениям относятся пластовые месторождения меди, залегающие в терригенных толщах и не имеющие связи с магматическими породами. Они представлены крупными месторождениями медистых песчаников и медистых сланцев. Медистые песчаники известны в Казахстане (Джезказган).

Стратиформные месторождения образуются на заключительных стадиях геосинклинального режима и в платформенных условиях. Приурочены к депрессиям, выполненным ритмично переслаивающимися песчаниками, сланцами и доломитами лагунно-дельтовых и прибрежно-морских фаций. Эти отложения, характеризующиеся повышенным содержанием органического углерода (>2%), слагают начальные трансгрессивные или конечные регрессивные части разреза.

§ 1. Краткая геологическая характеристика месторождения

Находится в Казахстане. Участок сложен толщей молассовых средне - верхнекаменноугольных отложений мощностью 600 - 700 м, образованной ритмично переслаивающимися серо - и красноцветными песчанниками, алевролитами и аргиллитами. Месторождение приурочено к зоне сопряжения Джезказганской синклинали с Кингирской антиклиналью, сформировавшейся на месте палеоподнятия.

рис.5. Схематические геологические разрезы месторождения Джезказган.

-3 - джезказганская свита средне-позднекаменноугольного возраста: 1 - красноцветные песчаники и алевролиты, 2 - рудоносные слои сероцветных песчаников, алевролитов и конгломератов, 3 - рудные залежи, 4 - известняки, песчаники, мергели ранеекаменноугльного возраста.

Рудные тела представлены пологими согласными залежами вкрапленных руд. Они характеризуются пластовой и линзовидной формами, которые на глубине сменяются лентообразной. Тяготеют главным образом к сероцветными песчаникам, образующим девять рудоносных горизонтов. В них известно до 300 рудных тел (мощностью от 0,5 до 20 м), которые сгруппированы более чем в 100 залежей. На глубину они прослежены до 600 м. Иногда оруденелыми являются секущие зоны дробления и трещиноватости. Главные рудные минералы - халькозин, борнит, халькопирит, галенит и сфалерит, жильные - кварц, кальцит и барит; второстепенные - пирит, ковеллин, блеклые руды и гематит; среди редких - раниевый минерал джеказганит . Текстуры руд вкрапленные, реже прожилковые; структуры - взаимных границ, срастания, замещения, микрографические, эмульсионные и реликтовые (глобулярные, крустификационные). Помимо Сu руды содержат Pb, Zn, Re и др. Минералообразование происходило в два этапа: на раннем отложились тонкозернистые сульфиды (халькозин и др.) вкрапленных руд, на позднем выделились крупнокристаллические агрегаты халькозина, галенита и сфалерита прожилковых руд. Изменение вмещающих пород - карбонатизация, окварцевание и альбитизация, скрая окраска пород обусловлены глубинным эпигенезом или гидротермальным метаморфизмом.

Минеральная зональность в лентовидных залежах проявлена в смене сульфидов снизу вверх и к флангам в таком порядке: халькозин - борнит - халькопирит - пирит - галенит - сфалерит. В пластовых телах от центра к периферии наблюдается переход борнитовых руд в пирит - халькопиритовые. Отношение Re/Os указывает, что возраст оруденения 260 млн. лет. Руды, судя по реликтовым структурам, ассоциации джарлеита и х-борнита, начали формироваться при температуре менее 75ºС. в дальнейшем (данные И.Габлиной) под воздействием нагретых подземных вод температура повышалась до 140 - 150ºС и происходил распад х - борнита. Вкрапленные руды характеризуются однородным изотопным составом серы ( δ  от - 10,4 до -17,7%), в отличие от жильных руд (δ  от - 27,4 до +17,3%). Образование руд Джезказгана, вероятно, было сложным и длительным. С осадконакоплением связана рассеянная минерализация, затем происходила некоторая концентрация рудного вещества при диагенезе и глубинном эпигенезе, а в завершении - под воздействием горячих минерализованных растворов формировались руды прожилкового и жильного типа.

§ 2. Петрофизическая характеристика месторождения

Петрофизическая классификация наиболее распространенных рудных минералов месторождения Джезказган.

Таблица 2.

Некоторые вмещающие породы:

Таблица 3.

Рудное тело сложен различными рудными минералами, которое отличается от вмещающих пород высокой плотностью и электропроводностью.

Глава III. Петрофизическая модель месторождения

§ 1. Понятие петрофизической модели

Под петрофизической моделью (ПФМ) понимают объемное распределение в геологическом пространстве различных физических параметров, характеризующих главные петрофизические структурно-вещественные комплексы изучаемого рудного поля, месторождения полезного ископаемого, рудного тела или другого геологического объекта.

Сведения о форме, размерах, условиях залегания и физических свойствах моделируемого класса объектов получают в ходе изучения и обобщения геометрических и физических параметров выбранных заранее природных эталонов.

Общая последовательность формирования ПФМ включает такие операции: а) формулирование геологической задачи и выбор объекта моделирования (блока земной коры, месторождения определенного генотипа, рудной залежи и т.п.); б) анализ любой геолого-геофизической информации, имеющейся по эталонным объектам; в) сбор эталонной коллекции образцов, измерение физических свойств основных разновидностей горных пород и руд; г) статистическая обработка результатов этих измерений и выделение петрофизических неоднородностей; д) построение собственно ПФМ, т.е. геометризация в геологическом пространстве отдельных петрофизических неоднородностей по возможности в виде тел правильной геометрической формы.

Под петрофизической неоднородностью (петрофизическим телом) понимается часть геологического пространства, отличающаяся от остального по физическому параметру или совокупности физических параметров, по которым могут быть проведены ее границы. Границы петрофизической неоднородности не обязательно должны совпадать с границами геологических тел, выделенных по иным свойствам. Петрофизические неоднородности, как структурные элементы модели должны удовлетворять двум требованиям: а) выделение петрофизических неоднородностей должно способствовать решению поставленной геологической задачи; б) выделенные петрофизические неоднородности должны находить отражение в геофизических полях заданной детальности.

А также отметим основные свойства моделей. Во-первых, модели являются адресными, т.е. эффективно могут быть использованы для решения геологической задачи, для которой они создавались. При изменении геологической задачи в петрофизическую модель объекта необходимо внести изменение либо создать новую модель.

Во-вторых, модель подобна геологическому объекту только в пределах рассматриваемых свойств. Речь здесь идет о том, что петрофизическая модель отображает геологический объект не только со стороны его физических свойств. В конкретных моделях, соответствующих разным геологическим задачам, могут отображаться разные особенности физической характеристики геологического объекта.

В-третьих, петрофизическая модель зависит от физико-геологической изученности объекта и среды и является ее результатом. Появление новых геологических, минералого-геохимических, петрофизических и геофизических сведений об используемом объекте может существенно изменить его петрофизическую модель.

В-четвертых, ПФМ почти всегда носит комплексный характер, т.е. описывает моделируемый объект с точки зрения его отличия от вмещающей среды по нескольким петрофизическим параметрам (магнитная восприимчивость, радиоактивность, поляризуемость и др.).

§ 2. Петрофизическая модель медно - порфирового месторождения

Семейство медно - порфировых месторождений объединяет месторождения, представленные крупными скоплениями небогатых медных и молибденовых прожилково - вкрапленных руд штокверкового типа. Месторождения формируются в специфических геоструктурах - вулкано - плутонических поясах геосинклинально - складчатых систем.

Рудные тела представляют собой области скопления прожилково-вкрапленных сульфидов, оконтуренные по повышенным содержаниям в породах меди и молибдена.

Таблица 4. Физические свойства горных пород и руд медно-молибденового порфирового месторождения (Центральный Казахстан)

Главными признаками ПФМ медно-порфировых месторождений являются (табл. 4):

а) повышенные магнитность и плотность рудоносных гранитоидов в сравнении с вулканогенно-осадочными породами рамы;

б) близкие тенденции в поведении физических параметров пород при оруденении и гидротермальном изменении;

в) низкая магнитность руд и большинства гидротермально измененных пород;

г) повышенная поляризуемость и слабоповышенная электропроводность руд и метасоматитов;

д) единая зональность изменения физических параметров рудовмещающих пород и рудных тел.

Рис.6. Обобщенная петрофизическая модель медно - молибденпорфирового месторождения (по материалам А.И. Кривцова,1987; И.Г.Павловой,1983 и др.)

- рудоносный порфировый интрузив; 2 - границы рудного тела; 3 - вмещающие породы за пределами петрофизических изменений; 4 - зона повышенной магнитности; 5-8 - область низкой магнитности и повышенной электропрводности пород и руд; 5-6 - зона пониженной радиоактивности, повышенной (5) и высокой (6) поляризуемости; 7-8 - зона повышенной радиоактивности, повышенной (7) и слабоповышенной (8) поляризуемости.

Высокая поляризуемость и электропроводность руд в сравнении с вмещающими породами - руды медно-порфировых месторождений менее значительно отличаются от вмещающих пород по электрическим параметрам.

Обобщенная петрофизическая модель медно-молибден-порфирового месторождения представлена на рис.6. Петрофизические изменения пород, связанные с медно-порфировым оруденением, захватывают большие объемы пород и распространяются далеко за пределы рудных тел. Главное в модели - петрофизическая зональность, согласующаяся с метасоматической и рудной зональностью.

Основную часть зональной структуры занимает область низкой магнитности и повышенной электропроводности. Причина низкой магнитности руд и рудовмещающих пород заключается в замещении магнетита пиритом в ходе рудно-метасоматических процессов. Повышение электропроводности пород обусловлено их повышенной пористостью и сульфидоносностью. В пределах области низкой магнитности и повышенной электропроводности выделяются две петрофизические зоны - повышенной и пониженной радиоактивности. Стержнем зональной структуры медно-порфировых месторождений является рудоносный порфировый шток. Ее центральную часть слагает зона повышенной радиоактивности, совпадающая с рудным телом и обрамляемая зоной пониженной радиоактивности, которая сменяется на глубине зоной повышенной магнитности. Зона пониженной радиоактивности обрамляет рудное тело и представлена относительно низкотемпературными метасоматитами типа пропилитов. Породы зоны характеризуются повышенной поляризуемостью за счет вкрапленности пирита, количество которого возрастает в направлении к границам рудного тела. Фактически тело медно-молибденовых руд оказывается окруженным чехлом интенсивно сульфидированных (пиритизированных) пород с повышенной и высокой поляризуемостью, превышающей поляризуемость медно-молибденовых руд. На глубине, на уровне молибденитовой минерализации, подзона - повышенной и высокой поляризуемости сменяется зоной повышенной магнитности, сложенной относительно высокотемпературными метасоматитами с вкрапленностью магнетита.

Глава IV. Специальное исследование

Какой физический параметр, влияющий на электропроводность породы (минерала), изменяется при высоком давлении (Р>9.108 Па), если в этих условиях наклон ρ=f(t) зависит от давления?

Электропроводность (γ) - способность вещества проводить электрический ток.

Пористость влияет на электропроводность породы при высоком давлении, если в этих условиях наклон ρ=f(t) зависит от давления. Рассмотрим зависимость ρ=f(t)

а - водонасыщенная порода

б - сухая порода

Из графика видно, что в интервале 0 - 100 ºС удельное электрическое сопротивление водонасыщенных пород уменьшается, за счет увеличения скорости носителей тока (ионы и дырки). В дальнейшем увеличении температуры сухих пород сопротивление уменьшается, т.к. увеличивается скорость носителей тока (электроны).

С увеличением температуры и давления повышается плотность пород, а, следовательно, уменьшается их пористость. А при уменьшении пористости увеличивается удельное электрическое сопротивление, которое обратно пропорционально электропроводности.

Заключение

В данной курсовой работе были приобретены навыки поиска, анализа, обобщения и изложения петрофизической информации. Выполнены все поставленные задачи и, в ходе которых выяснилось, что электропроводность горных пород зависит от состава, структуры, пористости, характера насыщения пор, температуры и давления.

А также при составлении петрофизической характеристики и модели был получен ценный опыт в подобного рода работы, который пригодится в дальнейшей профессиональной деятельности.

Использованная литература

Ерофеев Л.Я., Вахромеев Г.С., Зинченко В.С., Номоконова Г.Г. Физика горных пород: учебник для вузов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 520с.

Добрынин В.М., Вендельштейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика (Физика горных пород): Учеб.для вузов. 2-ое изд. Перераб.и доп.под редакцией доктора физико-математических наук Д.А. Кожевникова - М.: ФГУП Издательсво «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, 2004, 368 с.,ил.

Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика/ Под ред.Н.Б.Дортман, 2- е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1984, 455 с.

Смирнов В.И., Гинзбург А.И., Григорьев В.М., Яковлев Г.Ф. Курс рудных месторождений: Учебник для вузов/ Ред. академик В.И.Смирнов. - 2 - е изд., перераб. И доп. - М.: Недра, 1989, 360 с., с илл.