Как влияют характеристики кристаллической структуры на физические свойства горных пород

Главными определяющими факторами физических свойств горных пород являются их химический состав и структура. Химический состав определяется:

1. структурой атомов – числом протонов и нейтронов в ядрах, распределением электронов по орбиталям, зонной электронной структурой;

2. молекулярной структурой – типами связей атомов, их координацией, силой, направленностью;

3. изоморфным замещением и примесными атомами в кристаллической решетке породообразующих минералов, акцессорными минералами в горной породе флюидов.

В сущности, термин структура, как видно из этого перечисления, включает в себя и химический состав. Структура горных пород отпределяется также:

1. кристаллической структурой минералов: симметрией, плотностью упаковки, типами и концентрацией дефектов и дислокаций;

2. минеральным составом, взаимоотношением минералов (зерен), их фазовым и агрегатным состоянием;

3. пористостью, трещиноватостью, составом и концентрацией жидкостей и газов в породе.

Кристаллическая структура (параметры решетки, плотность упаковки атомов, симметрия, типы и концентрация дефектов и дислокаций) является важнейшм фактором распределения структурно-зависимых свойств горных пород: плотности и упругих модулей. Кристаллической структуруй минералов определяется и другие их свойства: электрические, тепловые, деформационные, однако в горных породах, представляющих собой поликристаллические и полиминеральные агрегаты, фактор кристаллической структуры во влиянии на эти свойтсва иногда перекрывается другими, макроструктурными параметрами пород.

Плотность. Чем плотнее упаковка атомов в решетке, тем выше плотность, труднее деформировать структуру, выше упругие модули и скорости распространения сейсмических волн.

Деффекты кристаллической структуры как правило приводят к понижению плотности и упругих модулей минералов и ГП. Тепловые фононы (возмущения в положении атомов от их устойчивых положений), кроме того, изменяют электропроводность. Металлические кристаллы увеличивают сопротивление с повышением температуры. У ионных кристаллов сопротивление с температурой понижается. Понижается с ростом температуры и сопротивление ковалентных полупроводниковых минералов.

Точечные дефекты в кристаллах: вакансии, атомы в междуузлиях, их омбинации, концентрация которых повышается с температурой, определяет транспортные свойства минералов и горных пород (температуропроводность, диффузию, вязкость, электропроводность). Деффекты изменяют напряженной состояние кристаллов, уменьшая тем самым упругие модули в макромасштабе минералов и ГП. влияние точечных дефектов на плотность мало, т.к. в больших объемах число вакансий оказывается примерно равным числу атомов в междуузлиях. А концентрация атомов-примесей обычно не велика.

Линейные дефекты – дислокации (краевые и винтовые) – влияют, в осовном, на механические свойства минералов и горных пород (упругость, пластичность, прочность). Через взаимодействие с дислокациями точечных дефектов проявляется влияние дислокаций на коэффициенты переноса, в частности скорость диффузии по линиям дислокаций может на порядки превышать объемную диффзию.

Поверхностные дефекты – границы зерен, поверхности кристаллов и дефекты упаковки – пород не оказывают существенного влияния на геофизические свойтсва. Объемные дефекты – поры, трещины, включения других фаз, флюидов.