Способы измерения плотности горных пород
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Парафилова Р.У.
Пономарева М.В.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Общий курс полевой геофизики»
для студентов специальности
5В070600 «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых»
Караганда 2010
УДК 550.83
Парафилова Р.У., Пономарева М.В. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Общий курс полевой геофизики» Караганда: КарГТУ, 2010. 89с.
Методические указания предназначены для бакалавров и магистрантов, обучающихся по специальности 5В070600, 5В072400, 5В071100 соответственно« Геология и разведка месторождений полезных ископаемых», «Технологические машины и оборудование», «Геодезия и картография» для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплинам: «Общий курс полевой геофизики», «Разведка нефтегазовых месторождений» и «Гравиметрия».
Методические указания разработаны в соответствии с требованиями учебной программы и представляют собой методический материал по выполнению лабораторных и практических работ.
Рецензент: д.т.н., профессор, член Редакционно-издательского
совета Демин В.Ф.
Утверждено: Редакционно-издательским советом Университета
© Карагандинский государственный технический университет, 2010
|
|
|
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа №1
Изучение плотности горных пород и методов ее измерения…………………4
Лабораторная работа №2
Изучение устройства и принципа действия современных гравиметров типа
ГНУК и ГНШК………………………………………………………………….16
Лабораторная работа №3
Определение цены деления и чувствительности гравиметров………………23
Лабораторная работа №4
Изучение устройства и принципа действия феррозондовых магнитометров………………………………………………………………… 30
Лабораторная работа №5
Изучение устройства и принципа действия протонных магнитометров типа
«МИНИМАГ»…………………………………………………………………..41
Лабораторная работа №6
Изучение устройства и принципа действия сейсмоприемников…………..53
Лабораторная работа №7
Определение эффективной скорости по годографам отраженных и преломленных волн…………………………………………………………… 62
Лабораторная работа №8
Изучение устройства и принципа действия электроразведочного измерителя
ЦИКЛ-ВП-2……………………………………………………………………..67
Список рекомендуемой литературы ………………………………………….89
|
|
|
Лабораторная работа № 1
Тема: Изучение плотности горных пород и методов ее измерения
Цель работы:Изучить плотность горных пород и руд
Гравитационные аномалии существуют только в том случае, если горные породы, слагающие район исследований, различаются по плотности и границы пород с различной плотностью не являются горизонтальными. Разница в плотности горных пород является основной предпосылкой успешного применения гравитационного метода для геологических исследований, поисков и разведки полезных ископаемых. Чем больше различие в плотности вмещающих пород и исследуемого объекта, тем с большим успехом может быть применена гравиразведка.
Разность плотности вмещающих пород и плотности тела, создающего гравитационную аномалию, называется избыточной или эффективной плотностью.
Сведения о плотности горных пород исследуемого района необходимы для правильного обоснования и проведения гравиразведочных работ, так как они позволяют оценить порядок ожидаемых аномалий, выбрать рациональную сеть наблюдений и т. д. Особо важно знать плотность горных пород при геологическом истолковании гравитационных аномалий.
|
|
|
Плотность (σ) любого однородного вещества называется отношение массы (m) вещества к ее объему (V):
(1.1)
Горные породы в общем случае являются телами неоднородными и состоят из вещества в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной. Плотностью горной породы называется отношение массы вещества всех фаз, в которых находится порода в условиях естественного залегания, к объему, занимаемому веществом этих фаз, т. е.
(1.2)
где: m1, m2, m3 и V1 ,V2, V3 – соответственно массы и объемы вещества твердой, жидкой и газообразной фаз, а m и V – суммарная масса и объем всех фаз горной породы.
Отношение массы вещества твердой фазы m1 к объему V вещества всех фаз называется объемной плотностью
(1.3)
Отношение массы вещества твердой фазы к ее объему называется минералогической плотностью
(1.4)
Объемное содержание в породе вещества, находящегося в жидкой и газообразной фазах, характеризует пористость горной породы.
|
|
|
Коэффициентом пористости (пористостью) горной породы называется отношение объема пор ко всему объему породы
(1.5)
Обычно кп выражают в процентах или долях единицы. Если известна минералогическая плотность и пористость, то можно определить объемную плотность породы. Из формулы (1.3) имеем
(1.6)
откуда, учитывая выражения (1.4) и (1.5), получаем
(1.7)
Влажность горной породы характеризуется объемом или массой воды, заключенной в порах породы. Отношение массы (веса) воды в породе к массе (весу) вещества твердой фазы называется массовым (весовым) коэффициентом влажности
(1.8)
Объемным коэффициентом влажности называется отношение объема воды к объему вещества твердой фазы:
(1.9)
Для гравиразведочных целей необходимо знать плотность пород в их естественном залегании, в условиях естественной влажности. Если пористость пород мала, что характерно, например, для изверженных и метаморфических пород, то можно без большой погрешности полагать
так как 
Высокой пористостью пород пренебрегать нельзя. В этому случае
(1.10)
и, так как 
, то, учитывая выражение (1.8), получаем
(1.11)
полагая, что все поры заполнены водой, т. е. m2+m3 численно равно V2+V3, имеем
(1.12)
Формула дает максимально возможное значение плотности, поскольку в реальных условиях не все поры заполнены водой или другой жидкостью, часть из них заполнена газом.
Плотность горных пород зависит от их химико-минералогического состава, пористости и влажности, которые обусловлены как условиями первичного образования, так и условиями последующего существования горных пород.
Таблица 1.1 Плотность минералов
| Минерал | Плотность, г/см3 | Минерал | Плотность, г/см3 |
| Авгит | 3,3-3,4 | Кордиерит | 2,5-2,6 |
| Альбит | 2,6 | Лабрадор | 2,7 |
| Анальцим | 2,2-2,3 | Лимонит | 3,6-4 |
| Ангидрит | 2,9 | Магнетит | 4,9-5,2 |
| Анортит | 2,7-2,8 | Микроклин | 2,5-2,6 |
| Апатит | 3,2 | Мусковит | 2,8-3,1 |
| Барит | 4,5 | Нефелин | 2,6 |
| Биотит | 2,8-3,2 | Оливин | 3-4,4 |
| Гематит | 5,1-5,2 | Ортоклаз | 2,5-2,6 |
| Гипс | 2,3 | Пирит | 4,9-5,2 |
| Гранат | 3,2-4,3 | Пироксен | 2,8-3,7 |
| Доломит | 2,6-2,9 | Серпентин | 2,5-2,6 |
| Ильменит | 4,5-5 | Силлиманит | 3,2 |
| Кальцит | 2,6-2,8 | Ставролит | 3,6-3,7 |
| Каменная соль | 2,1-2,3 | Хлорит | 2,6-3 |
| Кварц | 2,6-2,7 | Эпидот | 3,1-3,5 |
| Кианит | 3,6-3,8 |
Поэтому плотность горных пород можно рассматривать как объективный показатель истории геологических процессов, которым подвергались горные породы. Большинство геологических процессов в той или иной степени влияют на состав и структуру минерального скелета породы, ее пористость и влажность. Поэтому изучение плотности пород представляет интерес не только для разведочной гравиметрии, но и для геологии. Влияние некоторых процессов на плотность пород изучено довольно детально для влияния других намечаются только самые общие закономерности. В зависимости от типа пород различные факторы воздействуют на плотность не в одинаковой степени.
Для магматических и метаморфических пород характерна малая пористость (порядка 1-2%) и, как следствие, малая влажность. Поэтому плотность этих пород определяет их химико-минералогический состав.
Плотность главнейших породообразующих минералов приведена в таблице 1.1, плотность наиболее распространенных магматических и метаморфических пород – в таблице 1.2.
Таблица 1.2 Плотность магматических и метаморфических пород
| Наименование пород | Плотность, г/см3 | |
| Средняя | Пределы изменения | |
| Граниты Граниты и гранито-гнейсы (типичные для древних щитов) Гранодиориты, кварцевые диориты Анортозиты Диориты Сиениты Диабазы, габбро, габбро-диабазы Базальты Дуниты, перидотиты, пироксениты Кварциты Мраморы, кристаллические известняки Кварциты железистые Гнейсы Порфириты Альбитотофиры Серпентины Амфиболиты Сланцы глинистые слюдистые роговообманковые | 2,6 2,7 2,7 2,7 2,8 2,8 2,9 3,0 3,2 2,7 2,7 3,5 2,7 2,8 3,2 2,6 2,9 2,3 2,6 3 | 2,4-2,7 2,4-3,0 2,7-2,8 2,6-2,8 2,7-2,9 2,6-2,9 2,7-3,3 2,6-3,3 2,8-3,6 2,7-2,8 2,3-3,0 3,2-4,3 2,6-3,2 2,7-2,9 2,8-3,6 2,4-3,0 2,7-3,2 2-2,8 2,5-2,8 2,8-3,4 |
Плотность магматических пород в основном определяется соотношением в них относительно легких (кварц, полевые шпаты, нефелин) и тяжелых железо-магнезиальных минералов (амфиболы, пироксены, оливин, слюда). Поэтому плотность магматических пород увеличивается с повышением их основности. Кроме состава на плотность оказывают существенное влияние структура породы, степень ее кристалличности. Плотность у пород с массивной кристаллической структурой больше, чем у пород того же состава, но неполнокристаллических, аморфных.
У метаморфических пород, являющихся продуктами преобразования магматических и осадочных пород, плотность определяется исходным материалом, а также воздействием процессов метаморфизма. При метаморфизме может происходить как увеличение плотности, так и ее уменьшение. Например, при повышении давления и связанной с ним перекристаллизацией в породе протекают реакции, связанные с уменьшением объема, т. е. с увеличением плотности. Алмаз, являющийся полиморфной модификацией углерода и образующейся при высоких давлениях, имеет плотность 3,5 г/см3 , в то время как более низкотемпературная модификация – графит – имеет плотность 2,1 г/см3.
Примером уменьшения плотности пород при метаморфизме может служить процесс серпентизации ультраосновных пород, сопровождающийся привносом относительно легких компонентов (вода, кремне-кислота). В этом случае оливин (σ=4,1 -^- 4,4 г/см3) переходит в серпентинит (σ=2,5 -^- 2,6 г/см3). Гипергенные изменения пород в коре выветривания также сопровождаются уменьшением плотности, так как возникают новые минералы с относительно низкой плотностью.
В отличие от магматических и метаморфических осадочные породы имеют большую пористость (таблица 1.3), исключение составляют гидрохимические осадки. Поэтому плотность осадочных пород существенно зависит от их пористости.
Таблица 1.3 Пористость осадочных пород
| Порода | Пористость, % |
| Почва Пески, алевролиты Песчаники Галечники Аргиллиты Мергели Известняки, доломиты Мел Гидрохимические осадки (гипс, ангидрит, галит) | 23-69 2-42 2-55 25-38 4-34 2-31 2-40 17-43 0-5 |
Как следует из таблицы 1.3, пористость одной и той же породы меняется в широких пределах. Пористость пород, а также их плотность зависят прежде всего от условий их образования и воздействия геологических факторов, которому породы подвергаются за весь период своего существования. Отметим некоторые из них.
В условиях естественного залегания на породы давят вышележащие слои, что приводит к уменьшению пористости с глубиной. Этот процесс может сопровождаться частичной перекристаллизацией породы и увеличением ее плотности. Как правило, с глубиной скорость изменения пористости и плотности снижается.
Уменьшению пористости, а следовательно, увеличению плотности способствует метаморфизм пород в процессе складкообразования. Классическим примером, показывающим зависимость плотности пород от степени метаморфизма, может служить изменение плотности продуктивной угленосной толщи каменноугольного возраста в Донбассе, изученное А. Т. Донабедовым и Н. Н. Самсоновым по керну скважин. В этом районе плотность пород уменьшается от центра к периферии. В центральной части Донбасса пористость пород близка к нулю, и в них не наблюдается увеличения плотности с глубиной.
Влияние отмеченных выше факторов приводит к тому, что плотность одних и тех же осадочных пород в различных геологических условиях неодинакова (таблица 1.4).
Таблица 1.4 Плотность осадочных пород
|
Наименование пород | Плотность, г/см3 | |
| Средняя | Пределы изменения | |
| Почва Глины, аргиллиты Пески, алевролиты Песчаники Мергели Известняки, доломиты Мел | 2 2,3 2,1 2,3 2,2 2,5 2,2 | 1,5-2,4 1,6-2,8 2-2,4 2,1-2,8 2-2,6 2,1-2,9 2,1-2,3 |
Диапазон изменения плотности осадочных пород очень широк, поэтому средние значения, указанные в таблице 1.4, дают только ориентировочную ее величину.
В таблице 1.5 приведена плотность полезных ископаемых, при поисках и разведке которых применяется или может применяться гравиразведка.
Таблица 1.5 Плотность полезных ископаемых
|
Полезные ископаемые | Плотность, г/см3 | |
| Средняя | Пределы изменения | |
| Рудные Железные руды Хромиты Колчеданные руды: сплошные вкрапленные Полиметаллические руды Зона окисления колчеданных и полиметаллических руд Нерудные Газ Нефть Уголь антрацит каменный бурый Торф Каменная соль Корунд Барит | 4 4 4,5 - 4 - - 0,9 - - - 0,7 2,1 3,6 4 | 3,7-4,3 3,3-4,4 3,5-5,5 3-4,6 3,2-5,5 0,8-3,1 0,001-0,002 0,7-1,1 1,4-1,5 1,3-1,4 0,8-1,2 - 2,1-2,2 3-4 - |
Сопоставление плотности пород с другими физическими свойствами выявляет определенные статистические связи между ними, хотя и ограниченные многими условиями. При постоянстве модулей упругости скорость распространения упругих волн в большинстве случаев пропорциональна плотности: более плотные породы характеризуются повышенной скоростью упругих волн. Общей закономерной связи плотности пород с магнитной восприимчивостью не наблюдается. Породы, имеющие одинаковую плотность, могут в зависимости от условий их образования обладать совершенно различной магнитной восприимчивостью. Магнитная восприимчивость магматических пород растет с повышением их плотности и основности. Между плотностью и магнитной восприимчивостью осадочных пород корреляционной связи не обнаружено.
При ионной проводимости и постоянной минерализации поровых вод для изверженных и осадочных пород наблюдается прямая зависимость удельного электрического сопротивления от плотности. Присутствие электронопроводящих минералов приводит к повышению плотности и к уменьшению удельного электрического сопротивления. С увеличением минерализации пластовых вод электрическое сопротивление снижается, плотность при этом может остаться неизменной.
Способы измерения плотности горных пород
Достоверные сведения о плотности пород можно получить только на основе большого числа определений, чтобы исключить случайные неоднородности образцов. Всегда необходимо стремиться к тому, чтобы все типичные разновидности пород и руд исследуемого района были по возможности охарактеризованы несколькими десятками определений плотности. Только массовые определения позволяют составить реальное представление о средней плотности отдельных разновидностей пород и выявить закономерности ее изменения.
Образцы для определения плотности отбирают из обнажений, горных выработок или буровых скважин. При отбое образцов и обнажений необходимо тщательно следить за тем, чтобы образцы были свежими, без следов выветривания. Керн буровых скважин характеризует породы в их естественном залегании и позволяет судить об изменении плотности с глубиной.
Определять плотность образцов можно различными способами. Наиболее распространенным является способ гидростатического взвешивания, сущность которого состоит в следующем.
Образец подвешивают на нити к крючку или чашке технических весов любой конструкции и взвешивают. После этого образец погружают в сосуд с водой и снова взвешивают. Тогда
(1.13)
где Р1 и Р2 – вес образца соответственно в воздухе и в воде.
Если образцы сильно пористые, то их парафинируют: погружают на мгновение в расплавленный парафин, который, застывая, преграждает воде доступ в поры породы. После парафинирования образец снова взвешивают в воздухе. Значение плотности вычисляют в этом случае по формуле
(1.14)
где Р1 – вес парафинированного образца в воздухе; σп – плотность парафина.
Процесс взвешивания образцов значительно ускоряется, если пользоваться пружинными или безгиревыми весами. На способе гидростатического взвешивания основан специальный прибор для измерения плотности – денситометр Н. Н. Самсонова. При погружении образца в воду на шкале денситометра получают значение плотности.
Плотность пород может быть определена по поглощению гамма-излучения в них. Этот метод основан на законе, по которому ослабляется интенсивность гамма-излучения в зависимости от плотности вещества. Для жесткого гамма-излучения (энергия выше 0,5 Мэв) этот закон имеет вид
(1.15)
где I и I0 – интенсивность излучения соответственно с образцом и без образца; σ – плотность образца; µ - массовый коэффициент поглощения излучения (для кобальта – 60 µ=0,0556); х – толщина образца на участке измерения плотности.
Установка для определения плотности пород гамма-методом
(рисунок 1.1) имеет источник излучения 1, приемник 3 и свинцовый экран 4. излучение от источника, проходя через образец 2, ослабляется, его интенсивность измеряется приемником. Такая установка может быть использована для определения плотности пород не только по образцам, но и в шурфах и горных выработках. Для измерения гамма-методом плотности пород в скважинах сконструирован специальный снаряд, в котором между источником и приемником
Рисунок – 1.1 Установка для определения плотности пород гамма-методом.
Рисунок – 1.2 Вариационная кривая плотности пород.
излучения установлен экран. Прямое излучение в приемник не попадает, и он регистрирует только излучение, рассеянное породами, которое является мерой их плотности.
По точности определения плотности пород этот способ не уступает гидростатическому взвешиванию.
Плотность горных пород может быть найдена из наблюдений с гравиметрами на земной поверхности и в шахтах, а также с гравитационными вариометрами у искусственных или естественных выемок.
Для каждой группы образцов, выделенной по литологическому составу, возрасту или каким-либо другим признакам, вычисляют среднее арифметическое значение плотности, которое принимают за наиболее вероятное значение ее, а также определяют пределы изменения плотности образцов данной группы. Если выделенные группы включают достаточное количество образцов (несколько десятков), то для таких групп строят вариационные кривые плотности (рисунок 1.2 ). Интервал изменения плотности делят на некоторое число малых интервалов (0,05-ОД г/см3). По оси абсцисс откладывают значения плотности, а по оси ординат количество образцов, имеющих плотность в пределах выбранного интервала, в процентах от общего количества образцов в группе.
Для однородной группы образцов, в которой отклонения плотности от ее среднего значения зависят случайным образом от многих факторов (точность определения плотности, случайные включения, колебания в минералогическом составе и т. д.), вариационная кривая плотности представляет собой кривую нормального распределения:
где n – ордината вариационной кривой плотности; h – некоторая постоянная, называемая мерой точности; σср – среднее значение плотности.
В большинстве случаев вариационные кривые несимметричны относительно максимальной ординаты, что свидетельствует о неоднородном составе группы образцов. При резко выраженной неоднородности вариационные кривые могут иметь два максимума. Такую группу образцов необходимо разделить на две по каким-либо дополнительным признакам и построить вариационные кривые для каждой подгруппы.
По результатам измерений вычисляют статистические характеристики плотности породы – среднее арифметическое значение плотности σср и дисперсию D:
;
где σi – значение плотности в середине i интервала; ni – количество определений плотности в I интервале; q – число интервалов.
Дисперсия D характеризует отклонение плотности от ее среднего значения. Дисперсия может также использоваться для оценки средней квадратической ошибки (є) определения средней плотности по одному образцу и средней квадратическйо ошибки (єа) определения средней арифметической плотности:
є = ± D
єа = ± D/n
Эти ошибки є и єа не следует смешивать с инструментальной ошибкой измерения плотности 8изм на приборе. Ошибки є и є0 возникают из-за рассеяния значений плотности.
Если плотность пород определена по керну скважин, то можно построить графики изменения плотности по вертикали. В зависимости от интервала отбора образцов и глубины скважины вычерчивают в определенном масштабе ее разрез, по оси абсцисс откладывают значение плотности пород, по оси ординат – глубину, с которой взяты образцы. Такие графики наглядно характеризуют плотность отдельных стратиграфических горизонтов и изменение плотности с глубиной.
Если плотность пород или литологических горизонтов изучалась во многих точках площади исследования, то для каждого такого горизонта или отдельной литологической разновидности пород можно построить карту плотности. Для этого необходимо вычислить среднюю плотность породы или горизонта по всем определениям плотности в данном пункте или на данном участке. Среднюю плотность стратиграфического горизонта или свиты пород определяют по формуле
где σ – плотность породы, hi – ее мощность; суммирование распространяется на все породы, слагающие свиту или стратиграфический горизонт.
На карту наносят значение средней плотности во всех пунктах определения и по этим значениям проводят линии равной плотности. Сечение линий изоплотности выбирают в зависимости от интервала изменения плотности и густоты точек наблюдений. Карты изоплотностей пород позволяют получить наглядное представление о поведении плотности в горизонтальном направлении.
Лабораторная работа №2
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 3861; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!