Скална геология

Физични свойства

Физическите свойства на скалите представляват интерес и полезни в много области на работа, включително геология, петрофизика, геофизика, материалознание, геохимия и геотехническо инженерство. Мащабът на изследване варира от молекулярни и кристални до земни изследвания на Земята и други планетни тела. Геолозите се интересуват от датирането на радиоактивните възрасти на скалите, за да се реконструира произхода на минерални находища; сеизмолозите формулират прогнози за прогнозиране на земетресението, като използват предупредителни физически или химически промени; кристалографите изучават синтеза на минерали със специални оптични или физични свойства; геофизиците за проучване проучват промяната на физичните свойства на подземните скали, за да осигурят възможно откриване на природни ресурси като нефт и газ, геотермална енергия и руди метали;геотехническите инженери изследват естеството и поведението на материалите върху, в или от които трябва да се изграждат такива конструкции като сгради, язовири, тунели, мостове и подземни сводове за съхранение; твърдо физиците изучават магнитните, електрическите и механичните свойства на материалите за електронни устройства, компютърни компоненти или високоефективна керамика; и инженерите за резервоари за петрол анализират реакцията, измерена на дървени трупи или в процесите на дълбоко сондиране при повишена температура и налягане.или високоефективна керамика; и инженерите за резервоари за петрол анализират реакцията, измерена на дървени трупи или в процесите на дълбоко сондиране при повишена температура и налягане.или високоефективна керамика; и инженерите за резервоари за петрол анализират реакцията, измерена на дървени трупи или в процесите на дълбоко сондиране при повишена температура и налягане.

Тъй като скалите са агрегати от минерални зърна или кристали, техните свойства се определят до голяма степен от свойствата на различните им съставни минерали. В една скала тези общи свойства се определят чрез осредняване на относителните свойства и понякога ориентации на различните зърна или кристали. В резултат на това някои свойства, които са анизотропни (т.е. се различават по посока) в субмикроскопска или кристална скала, са доста изотропни за голям обем на скалата. Много свойства също зависят от размера на зърното или кристала, формата и устройството на опаковката, количеството и разпределението на празното пространство, наличието на естествени цименти в утаените скали, температурата и налягането и вида и количеството на съдържащите се течности (напр. вода, нефт, газове). Тъй като много скали проявяват значителен диапазон от тези фактори,присвояването на представителни стойности за определено свойство често се извършва, като се използва статистическа промяна.

Some properties can vary considerably, depending on whether measured in situ (in place in the subsurface) or in the laboratory under simulated conditions. Electrical resistivity, for example, is highly dependent on the fluid content of the rock in situ and the temperature condition at the particular depth.

Density

Density varies significantly among different rock types because of differences in mineralogy and porosity. Knowledge of the distribution of underground rock densities can assist in interpreting subsurface geologic structure and rock type.

In strict usage, density is defined as the mass of a substance per unit volume; however, in common usage, it is taken to be the weight in air of a unit volume of a sample at a specific temperature. Weight is the force that gravitation exerts on a body (and thus varies with location), whereas mass (a measure of the matter in a body) is a fundamental property and is constant regardless of location. In routine density measurements of rocks, the sample weights are considered to be equivalent to their masses, because the discrepancy between weight and mass would result in less error on the computed density than the experimental errors introduced in the measurement of volume. Thus, density is often determined using weight rather than mass. Density should properly be reported in kilograms per cubic metre (kg/m³), but is still often given in grams per cubic centimetre (g/cm³).

Another property closely related to density is specific gravity. It is defined, as noted above, as the ratio of the weight or mass in air of a unit volume of material at a stated temperature to the weight or mass in air of a unit volume of distilled water at the same temperature. Specific gravity is dimensionless (i.e., has no units).

The bulk density of a rock is ρ_B = W_G/V_B, where W_G is the weight of grains (sedimentary rocks) or crystals (igneous and metamorphic rocks) and natural cements, if any, and V_B is the total volume of the grains or crystals plus the void (pore) space. The density can be dry if the pore space is empty, or it can be saturated if the pores are filled with fluid (e.g., water), which is more typical of the subsurface (in situ) situation. If there is pore fluid present, where W_fl is the weight of pore fluid. In terms of total porosity, saturated density is

and thus

where ρ_fl is the density of the pore fluid. Density measurements for a given specimen involve the determination of any two of the following quantities: pore volume, bulk volume, or grain volume, along with the weight.

A useful way to assess the density of rocks is to make a histogram plot of the statistical range of a set of data. The representative value and its variation can be expressed as follows: (1) mean, the average value, (2) mode, the most common value (i.e., the peak of the distribution curve), (3) median, the value of the middle sample of the data set (i.e., the value at which half of the samples are below and half are above), and (4) standard deviation, a statistical measure of the spread of the data (plus and minus one standard deviation from the mean value includes about two-thirds of the data).

Компилация от сухи насипни плътности за различни видове скали, открити в горната кора на Земята, е посочена в таблицата. График на хистограма на тези данни, който дава процента на пробите като функция на плътността, е показан на фигура 3. Дадените параметри включват (1) разделяне на пробата, обхватът на плътност в една колона с данни - например, 0,036 g / cm ³ за фигура 3, (2) брой на пробите и (3) стандартно отклонение. Малкият възел е процентът на пробите (по вертикалната ос), които се намират в интервала от "режим - x" до "режим + x", където x е хоризонталната ос.

Суха насипна плътност за различни видове скали

тип скала	брой проби	средно (грамове на кубически см)	стандартно отклонение	режим (грамове на кубически см)	медиана (грамове на кубически см)
Source: After data from H.S. Washington (1917) and R.J. Piersol, L.E. Workman, and M.C. Watson (1940) as compiled by Gary R. Olhoeft and Gordon R. Johnson in Robert S. Carmichael (ed.), Handbook of Physical Properties of Rocks, vol. III, CRC Press, Inc. (1984).
all rocks	1,647	2.73	0.26	2.65	2.86
andesite	197	2.65	0.13	2.58	2.66
basalt	323	2.74	0.47	2.88	2.87
diorite	68	2.86	0.12	2.89	2.87
dolerite (diabase)	224	2.89	0.13	2.96	2.90
gabbro	98	2.95	0.14	2.99	2.97
granite	334	2.66	0.06	2.66	2.66
quartz porphyry	76	2.62	0.06	2.60	2.62
rhyolite	94	2.51	0.13	2.60	2.49
syenite	93	2.70	0.10	2.67	2.68
trachyte	71	2.57	0.10	2.62	2.57
sandstone	107	2.22	0.23	2.22	2.22

In Figure 3, the most common (modal) value of the distribution falls at 2.63 g/cm³, roughly the density of quartz, an abundant rock-forming mineral. Few density values for these upper crustal rocks lie above 3.3 g/cm³. A few fall well below the mode, even occasionally under 1 g/cm³. The reason for this is shown in Figure 4, which illustrates the density distributions for granite, basalt, and sandstone. Granite is an intrusive igneous rock with low porosity and a well-defined chemical (mineral) composition; its range of densities is narrow. Basalt is, in most cases, an extrusive igneous rock that can exhibit a large variation in porosity (because entrained gases leave voids called vesicles), and thus some highly porous samples can have low densities. Sandstone is a clastic sedimentary rock that can have a wide range of porosities depending on the degree of sorting, compaction, packing arrangement of grains, and cementation. The bulk density varies accordingly.

Други участъци за разпространение на суха насипна плътност са дадени на фигури 5 и 6, с разделяне на пробата от 0,036 g / cm ³ за фигури 5 и 6A и 0,828 процента за фигура 6В. Таблицата изброява типичните граници на суха насипна плътност за различни други видове скали, подготвени от американските геолози Гордън Р. Джонсън и Гари Р. Олхофт.

Типичните граници на плътност за някои други видове скали

тип скала	плътност (грамове на кубически см)
Източник: След данни от RA Daly, GE Manger и SP Clark, Jr. (1966); А. Ф. Бреза (1966 г.); F. Press (1966); и RN Schock, BP Bonner и H. Louis (1974) в Robert S. Carmichael (ed.), Handbook of Physical Properties of Rocks, vol. III, CRC Press, Inc. (1984).
амфиболит	2.79-3.14
стъкло за андезит	2.40-2.57
анхидрит	2.82-2.93
анортозит	2.64-2.92
базалтово стъкло	2.70-2.85
тебешир	2.23
доломит	2.72-2.84
дунит	2.98–3.76
eclogite	3.32–3.45
gneiss	2.59–2.84
granodiorite	2.67–2.78
limestone	1.55–2.75
marble	2.67–2.75
norite	2.72–3.02
peridotite	3.15–3.28
quartzite	2.65
rock salt	2.10–2.20
schist	2.73–3.19
shale	2.06–2.67
slate	2.72–2.84

The density of clastic sedimentary rocks increases as the rocks are progressively buried. This is because of the increase of overburden pressure, which causes compaction, and the progressive cementation with age. Both compaction and cementation decrease the porosity.

Representative densities for common rock-forming minerals (i.e., ρ_G) and rocks (i.e., ρ_B) are listed inthe

Таблица. Плътности Насипните за седиментни скали, които обикновено имат променлива порьозност, са дадени като диапазони на двете сух ρ _B и (вода) наситен ρ _B. Течността, която запълва порите, обикновено е слабееща вода, което често показва наличието на морска вода, когато скалата е била отложена или литифицирана. Трябва да се отбележи, че насипната плътност е по-малка от плътността на зърното на съставния минерал (или минерална сглобка), в зависимост от порьозността. Например, пясъчник (характерно quartzose) има типичен суха насипна плътност 2,0-2,6 г / см ³, с порьозност, която може да варира от ниско до повече от 30 на сто. Плътността на кварц се е 2.65 г / см ³. Ако порьозността беше нула, насипната плътност би била равна на плътността на зърното.

Saturated bulk density is higher than dry bulk density, owing to the added presence of pore-filling fluid.The Table also lists representative values for density of seawater, oil, and methane gas at a subsurface condition—pressure of 200 bars (one bar = 0.987 atmosphere, or 29.53 inches of mercury) and a temperature of about 80° C (176° F).