Корреляция между плотностью и скоростями сейсмических волн. Объясните природу общей закономерности и отклонений от нее

Главными характеристиками структуры горных пород определяются их плотность и упругие свойства. К таким характеристикам относятся: параметры кристаллической структуры породообразующих минералов. Нарушения в структуре породы (пористость, флюидонасыщенность) влияют на плотность несколько меньше, чем на скорости упругих волн. Поэтому можно предполагать довольно тесную связь между плотностью и скоростями сейсмических волн в породах, если нет больших различий по средней атомной массе.

Плотность является важнейшим параметром состояния вещества.

В естественном залегании пород их плотность (σ) есть отношение полной массы (m) к полному объему (V) тела (выделенной части среды), которые включают твердую матрицу породы, жидкую и газовую фазы в поровом пространстве:

σ = m/V= (m_т+ m_ж + m_г)/(Vт+ Vж + Vг) где индексы, относятся к массе и объему твердой, жидкой и газообразной фаз соответственно. Массой газов можно пренебречь.

Vг+Vж =Vп - объем порового пространства, его отношение к полному объему называется коэффициентом пористости: Кп=Vп/V

Минеральная плотность (твердой фазы) σ = m_т/Vт, плотность сухой породы

σ_с= m_т/V= σ_м (1 — Кп), тогда σ = σ_с + σ_ж Кп,

где σ_ж — плотность жидкости в поровом пространстве. Общая пористость осадочных пород довольно велика. Вблизи поверхности она достигает 0,2—0,4, а на глубинах 5—б км под давлением вышележащих пород уменьшается до уровня пористости минералов, 10^-3-10^-2. Магматические и метаморфические породы имеют большие значения пористости в корах выветривания, до 0,2, а у неизмененных пород она редко превышает первые проценты. В гравиразведке такие величины не учитывают. для плотности не имеют большого значения различия общей и эффективной пористости, степень связности порового пространства.

Упругие модули простых веществ (химических элементов) как характеристики сопротивляемости деформированию, очевидно, зависят от вида и энергии связей частиц, составляющих макроструктуру. Эти связи в простых веществах могут быть металлическими или ковалентными (газы не рассматриваются). Элементы с сильной и направленной ковалентной связью характеризуются большими упругими модулями (в твердом состоянии).

Вещества образованные посредством металлической связи, имеют широкий диапазон значении модуля сдвига. Он низкий у щелочных металлов и высокий у железа, вольфрама. оливина, корунда, в нижней мантии на границе с ядром они практически изотропные, так как их кристаллические решетки имеют высокую симметрию.

Распространение упругих волн как согласованное возбуждение атомов в кристаллической структуре связано с передачей импульса от частицы к частице, что осуществляется квантами упругих колебаний фононами. Из закона сохранения импульса следует, что скорость упругих волн должна иметь обратную зависимость от массы атомов в решетке. Это действительно имеет место, но накладывается на другие закономерности. для элементов с большими атомными радиусами, скорости упругих волн обратно пропорциональны атом. радиусам, а элементы с большими атомрадиусами обнаруживают обратную зависимость от атомной массы. Скорости для элементов каждого периода таблицы д. И. Менделеева возрастают в начале периода и понижаются к его концу.

Малыми значениями скоростей упругих волн отличаются самородные металлы, большими — силикаты, многие окислы (но не железа), максимальны скорости у алмаза.

Определяющими факторами скоростей упругих волн в минералах являются:

а) кристаллическая структура плотность упаковки атомов в решетке, дефекты структуры;

б) средняя атомная масса.

Скорости зависят от главных характеристик состава и структуры минералов, и в этом отношении они, как и плотность, являются структурно-определенными свойствами. Но есть отличие от плотности: зависимость скоростей от средней атомной массы — обратная, тогда как плотность прямо пропорциональна атомной массе.

Минералы с высокой симметрией обычно имеют скорости выше, анизотропию меньше, чем минералы с низкой сим метрией.

Значения скоростей и плотности тесно коррелируют между собой.

Рудные минералы с большой атомной массой имеют, как правило, довольно низкие скорости, несмотря на плотную упаковку кристаллических решеток (галенит, молибденит, сфалерит).

При изоморфизме скорость упругих волн меняется со знаком, противоположным знаку изменения атомной массы в соответствующих рядах твердых растворов.

Полиморфные превращения минералов, изменяя плотность упаковки кристаллических решеток, ведут к изменениям в том же направлении упругих модулей, скоростей сейсмических волн, а также плотности, причем упругие модули изменяются сильнее, чем значения скорости и плотности.

Увеличение скоростей сейсмических волн в фазах высокого давления по сравнению с минералами, равновесными в условиях земной поверхности, это общий закон полиморфных переходов.