чем ниже плотность тем

Плотность вещества

Масса

Начнем с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.

В Международном бюро мер и весов в Париже есть цилиндр массой один килограмм. Материал этого цилиндра — сплав иридия и платины. Его масса равна одному килограмму, и этот цилиндр — эталон для всего мира.

Высота этого цилиндра приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.

Второй закон Ньютона

F = ma

В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.

Закон Всемирного тяготения

F = GMm/R2

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне🙃

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона, например, масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю.

Вселенная без массы представляла бы собой хаос из различных излучений, двигающихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Здорово, что это не так, и у элементарных частиц есть масса. Только вот пока непонятно, откуда эта масса у них берется.

Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.

Бозон Хиггса невозможно представить. Это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.

Объем тела

Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Это важный навык — уметь объемы соотносить. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.

Например, чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.

Формула объема параллелепипеда

V = a*b*c

А для цилиндра будет справедлива такая формула:

Формула объема цилиндра

V = S*h

S — площадь основания [м^2]

Плотность вещества

Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Формула плотности вещества

р — плотность вещества [кг/м^3]

m — масса вещества [кг]

V — объем вещества [м^3]

Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.

Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.

Источник

Что такое плотность? Какие факторы влияют на нее? Плотность воздуха: описание

Если разделить массу тела на объем или площадь, которую она занимает, то получим плотность тела (поверхности). Некоторые вещества состоят из нескольких компонентов. У каждого из них своя плотность. При расчетах используется их сумма. Полученный результат и является плотностью всего вещества (соединения). Данный показатель может определяться для разных тел. Во многих случаях именно плотность является определяющим параметром при расчетах, осуществлении работ и при прочих важных обстоятельствах. Далее в статье рассмотрим общее значение понятия. Выясним, какое значение имеет плотность воздуха. Рассмотрим также влияние тех или иных факторов на показатель.

Виды плотности

Тела существуют различные. Так же, как и бывают разные состояния веществ. Есть, например, жидкости и газы. Есть сыпучие и пористые тела. Для них существуют такие плотности: истинная (не берут во внимание учет пустот), удельная (отношение массы всего вещества к объему, которое она занимает). Существует коэффициент пористости (часть объема пустот, которые есть во всем объеме). Именно с помощью этого коэффициента получают истинную плотность.

Зависимость от температуры

Много ли факторов способны изменить плотность? Рассмотрим основные внешние явления, которые могут обладать такой способностью. Плотность увеличивается, когда уменьшается температура. Хотя некоторые вещества являются исключениями. К ним относятся, например, вода, чугун и бронза. В этом случае изменения происходят по-другому. Самая высока плотность у воды, когда жидкость достигает 4 градусов тепла, а если температура становится выше или ниже, то она уменьшается.

Важность агрегатного состояния

Прочие факторы

Плотность воздуха играет большую роль в жизни всего живого на планете, хотя мало кто задумывается об этом явлении. Почему парят птицы в воздухе, летают самолеты, а какой-то предмет падает на землю, а не задерживается в пространстве? Кроме того, в этом всем участвует и плотность воздуха. Однако это соединение обладает и прочими свойствами. Так, когда говорят о погодных условиях, то используют такое определение, как влажность воздуха. Если он сухой, то человеку тяжелее дышать и передвигаться, любое существо испытывает дискомфорт. Как только хоть немного появляется влаги, то эти ощущения пропадают. А ведь все это зависит от того, что сухой воздух имеет большую плотность, а судя из соотношения, и массу. Все это изучалось еще в школьные годы на уроках физики.

Исследования Ньютона

Если задуматься, то такие явления, перечисленные выше, могут показаться непонятными. Ведь как сухой воздух может быть тяжелее того, который насыщен влагой? А именно водой в газообразном состоянии. Но это парадоксальное явление давно доказали ученые, да еще и подтвердили многими исследованиями. Первый, кто об этом начал говорить, был Исаак Ньютон. Все свои мысли и доводы он написал в книге «Оптика». Ученый говорил о том, что именно плотность влажного воздуха ниже, чем у сухого. В 1717 году эта книга вышла в свет в Лондоне. Но, к сожалению, гипотезы известного ученого не взяли во внимание, «Оптика» не имела большого успеха.

Опыт Авогадро

Как определить плотность воздуха

Провести непосредственные измерения не представляется возможным. Для расчетов существуют конкретные формулы, чтобы получить нужный показатель. Есть 2 вида плотностей: весовая и массовая. В основном используют последнюю.

1. Буквой g обозначают весовую плотность воздуха (это вес на один кубометр). Измеряется он соотношением веса соединения (который вымеряют в кгс) на его объем (м ₃ ).

2. Из-за многих нюансов показатели могут меняться. Влияет на это вращение Земли, географическая широта, сила инерции. Так, например, на экваторе вес будет меньше на 5% по сравнению с полюсами. Было измерено то, что если давление будет 769 мм рт. ст, а температура будет +15, то один кубометр будет иметь весовую плотность около 1,225 кгс.

5. Если давление увеличится, а температура, наоборот, понизится, то плотность воздуха будет расти. Исходя из такого утверждения можно сделать вывод, что в зимние морозы она будет самая высокая. Чем выше подниматься в пространстве, тем больше будет уменьшаться плотность, ведь давление становится меньше.

Заключение

Источник

ПЛОТНОСТЬ УТЕПЛИТЕЛЕЙ: на что она влияет

Прежде чем выбрать утеплитель, особое внимание стоит обратить на его технические характеристики. Ведь от этого будет зависеть его теплопроводность и способность к снижению уровня теплопотерь в том, или ином помещении. Одной из таких важных характеристик является – ПЛОТНОСТЬ теплоизоляционного материала.

Виды утеплителей по уровню плотности

Стоит помнить, чем выше плотность теплоизоляционного материала, тем наибольшую нагрузку он оказывает на фундамент дома.

При этом следует отметить, что высокая плотность не всегда является гарантией высоких теплоизоляционных характеристик.

Поэтому, утеплитель делят на несколько видов, классификация которых осуществляется на основе плотности материал:

К особо легким утеплителям относится – пенополистерол (пенопласт), представляющий собой пористую структуру. Легкие утеплители изготавливаются на базе минеральной ваты. К утеплителям со средней плотностью относится пеностекло. А что касается плотных утеплителей, то они также изготавливаются путем использования минеральной ваты, процесс приготовления которых осуществляется под высоким давлением.

Легкие утеплители блокирует увеличение концентрации водяных паров, поэтому такой материал используют для утепления ненагружаемых поверхностей внутри помещений: стен, перегородок, перекрытий и т.д. Утеплители с легкой плотностью способны свести теплопотери к минимуму.

Плотные утеплители лучше всего использовать для наружной части стены. В этом случае, теплопроводность будет лучше. Такой материал хорошо переносит различные механические нагрузки и отлично противостоит неблагоприятному воздействию влаги.

Теплопроводность и плотность – как они связаны?

Достаточно сложно разобраться с тем, на что влияет плотность утеплителя, т.к. этот показатель практически не имеет никакого прямого воздействия на теплопроводность. В тоже время при выборе утеплителя, стоит обязательно учитывать плотность.

В любом теплоизоляционном материале – воздух, в обычном или же разряженном состоянии, является главным теплоизолятором. Чем больше содержится воздуха в теплоизоляционном материале, и чем он лучше изолирован от контакта с наружным воздухом, тем ниже будет коэффициент теплопроводности.

При сравнении пенополистирола и минеральной ваты, следует отметить их различную структуру. Пенопласт состоит из пенополистирольных шариков, заполненных воздухом. Поэтому изменение плотности в структуре пенопласта практически никак не влияет на уровень теплопроводности в этом материале.

Плотность и толщина утеплителя

Толщина и плотность утеплителя зависят друг от друга. Чтобы выбрать утеплитель нужной толщины, стоит учитывать минимальный уровень сопротивления теплопередачи окружающей конструкции. Например, для утепления перекрытий чердака и утепления стен эти показатели будут меняться. Из этого следует, что толщина теплоизоляционного материала зависит от его использования:

А что касается плотности, то, чем плотнее утеплитель, тем наибольшую нагрузку он может нести. Поэтому, при выборе теплоизоляционного материала стоит учитывать все особенности помещения и здания, где будет применяться утеплитель. Например, минеральная вата, плотностью 35-40 кг/м3 применяется для утепления многоэтажных жилых зданий, а вот укладывать такой материал под стяжку или применять в слоистой кладке стен не рекомендуется, т.к. при укладке, стяжка раздавит минеральную вату, а в слоистой кладке – минвата со временем осядет. В таких случаях используют более плотный материал, он применяется для теплоизоляции производственных зданий: для стяжки пола применяется утеплитель плотностью – от 160 кг/м3, а для слоистой кладки стен – от 80 км/м3.

Чтобы определить, какая плотность теплоизоляционного материала лучше, следует учитывать немало факторов. При этом не стоит забывать, что показатели теплопроводности теплоизоляционных материалов примерно одинаковые, а вот транспортировка утеплителя с более высокой плотностью будет несколько осложнена.

Источник

Плотность вещества — формулы и примеры вычислений величины

Из учебного курса химии и физики вспоминаются решения задач с использованием разных показателей.

Окружающие тела состоят из веществ, масса каждого зависит от размера, объема и других критериев.

Плотность вещества показывает численное выражение массы тела в определенном объеме.

Существуют разные виды скалярной физической величины.

Общая характеристика

Каждый элемент занимает индивидуальную величину. Определение плотности может обозначаться греческой буквой ρ, D или d. Если объемы двух тел одинаковы, а массы различны, тогда плотности не идентичны.

Основные понятия

Определения и характеристики показателя известны с 7 класса школьной программы химии. Плотность представляет собой физическую величину о свойствах вещества. Это удельный вес любого элемента. Существует средняя и относительная плотность. Последняя классификация — это отношение плотности (П) вещества к П эталонного вещества. Часто за эталон принимают дистиллированную воду. Единица измерения П- кг/м3 в интернациональной системе.

Формула нахождения плотности:

Обозначения:

Кроме стандартной формулы плотности, применяемой для твердых состояний веществ, имеется формула для газообразных элементов в нормальных условиях.

Расшифровка:

Для сыпучих и пористых тел различают истинную плотность, вычисляемую без учета пустот, и удельную плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему объему. Истинную П получают через коэффициент пористости — доли объема пустот в занимаемом объеме. Для сыпучих тел удельная П называется насыпной.

Низкие показатели П имеет среда между Галактиками (1033 кг/м3).

Способы измерения:

Вещества состоят из молекулярных структур, масса тела формируется из скопления молекул. Аналогично вес пакета с карамелью складывается из масс всех конфет в мешке. Если все сладости одинаковые, то массу упаковки определяют умножением веса одной конфеты на количество штук.

Молекулярные частицы чистого вещества одинаковы, поэтому вес капли воды равен произведению массы 1 молекулы Н2О на число составляющих молекул в капле. Плотность вещества показывает, чему равна масса одного кубического метра.

Плотность воды — 1000 кг/м³, а масса 1 м³ Н2О равна 1000 килограмм. Это число можно вычислить, умножив массу 1 молекулы воды на количество молекулярных частиц, содержащихся в 1 м3 объема.

П льда составляет 900 кг/м³, это значит, что вес кубического метра льда равна 900 кг. Употребляют единицу измерения плотности г/см3.

При равнозначности физических масс двух тел их объемы различаются. Например, объём льда в девять раз больше объема бруска из металлического сплава. Масса тела распределяется неодинаково, устанавливает П в каждой точке тела.

Влияние факторов

П зависит от давления и температуры. При высоком давлении молекулы плотно прилегают друг к другу, поэтому вещество обладает значительной плотностью.

Зависимость показателей учитывается при расчете П. При повышении температуры П снижается из-за термического расширения, при котором объем вырастает, а масса остается прежней. Если температура снижается, П увеличивается, хотя имеются вещества, П которых при некоторых условиях температурного режима ведет себя иначе. Это вода, бронза, чугун. При фазовом переходе, модифицировании агрегатного состояния П меняется скачками. Условия вычисления зависят от свойств веществ, молекулярных элементов. Для разных природных объектов П изменяется в широком диапазоне.

П воды ниже П льда из-за молекулярной структуры твердой формы жидкости. Вещество, переходя из жидкой в твердую форму, изменяет молекулярную структуру, расстояние между составными частицами сужается и плотность увеличивается. Зимой, если забыть слить воду из труб, их разрывает на части после замерзания. На П Н2О влияют примеси. У морской воды знак П выше, чем у пресной. При соединении в одном стакане двух типов жидкости пресная останется на поверхности. Чем выше концентрация соли, тем больше П воды.

Когда плотность вещества больше П воды, оно полностью погрузится в воду. Предметы, сделанные из материала по низкой П, будут плавать на поверхности воды. На практике эти свойства используются человеком. Сооружая суда, инженеры-проектировщики применяют материалы с высокой П. Корабли, теплоходы, яхты смогут затонуть во время плавания, в корпусах суден создают специальные полости, наполненные воздухом, ведь его П ниже плотности воды.

Чтобы наживка для рыбалки погрузилась в воду, ее обременяют тяжелым по плотности материалом, например, грузиком из металла (чаще свинца). Плотность сплава выше, чем у Н2О.

Жирные пятна масла, нефти, бензина остаются на поверхности воды из-за низкой П маслянистых веществ.

Практическое применение

Из учебников химии и физики вычисляют уровень плотности по формуле. Но также это можно сделать, используя онлайн-систему.

Значение показателя

Окружающий мир состоит из разных веществ.

Скамейка в парке или баня за городом сооружены из древесины, подошва утюга, сковорода выполнены из металла, покрышка колеса, велосипеда — из резины. Каждый предмет имеет свой вес.

Черные дыры Вселенной составляют наибольшую плотность 1014 кг/м3. Самый низкий показатель имеет область между Галактиками (2•10−31—5•10−31 кг/м³).

Таблица плотности веществ

П металлов изменяется от минимального значения у лития, который легче Н2О, до максимального значения у осмия, который тяжелее драгоценных металлов.

Способы расчета и примеры

В сети Интернет существует множество приложений для онлайн-расчета плотности веществ или материалов. В стандартные поля калькулятора вводится основная информация: масса, объем, единицы измерения. Плотность вычисляется автоматически по заданным параметрам и выводится на экран интерфейса. Можно перевести информативные данные в нужную единицу измерения.

Без использования учебной информации показатель П можно определить через физические опыты. Для лабораторных изучений нужны весы, сантиметр, если исследуемое тело находится в твердом состоянии. Для жидкости необходима колба.

Сначала измеряют объем тела, записывая результат по цифровой шкале (в сантиметрах или миллилитрах).

Вычисляя объем деревянного бруска квадратной формы, параметр стороны возводится в третью степень. Измеряя объемные характеристики, тело ставят на весы и записывают значение массы. Рассчитывая жидкое состояние, учитывают массу сосуда, куда помещено исследуемое. В формулу подставляют данные и рассчитывают показатель.

Поскольку П измеряется в кг/л или в г/см³, то иногда приходится пересчитывать одни величины в другие.

Пример 1:

Пример 2:

Нужно перевести см 3 в кубические метры, а граммы — в килограммы.

Показатель имеет большое значение в разных сферах жизни и деятельности. Он определяется по таблице или высчитывается расчетным путем.

Источник

Лекционные материалы по теме №3 «Плотность»

Описание

В лекции рассматриваются следующие темы:

Общие понятия плотности. Плотность химических элементов. Плотность газов, жидкостей и минералов. Плотность магматических и эффузивных горных пород. Плотность метаморфических горных пород. Плотность осадочных горных пород. Способы определения плотности. Плотность различных типов пород и полезных ископаемых.

Оглавление

1. Общие понятия плотности

Плотность является одним из основных физических параметров вещества. Плотность – это свойство вещества, характеризующиеся отношением его массы m к занимаемому объему V :

(3.1)

Плотность горных пород является параметром, который определяет гравитационное поле (Федынский В.В., 1967):

(3.2)

Таким образом, потенциал U является ньютоновским потенциалом притяжения объемных масс, G – гравитационная постоянная, r – расстояние от точки измерения до гравитирующего объекта объемом V, отличающегося по плотности от вмещающей среды на величину σ. Знание плотности необходимо при проведении гравиразведки, сейсморазведки, ядерных и других геофизических методов. Плотность горной породы обозначается «σ». Разность между аномалеобразующего объекта σ и плотностью вмещающей среды σ₀ называют избыточной или эффективной Δσ:

Знак эффективной плотности зависит от того больше или меньше плотность гравитирующего объекта, по сравнению с вмещающей средой.

Так как горные породы трехфазые системы, то плотность определяется как отношение массы горной породы (минерала) к объему породы (минерала), т.е. отношение массы твердой, жидкой и газовой фаз к его объему:

(3.4)

Отношение твердой фазы породы к занимаемому объему твердой фазы называется минеральной плотностью, и обозначается «δ»:

(3.5)

Таким образом, горная порода состоит из твердой фазы (минерального скелета) и порового пространства, заполненного воздухом и жидкостью. Поры в горной породе могут сообщаться друг с другом или быть изолированы минеральным скелетом.

Масса жидкой фазы определяется с введением понятия относительной влагонасыщенности образца «p». Если p больше или равно 1, то масса жидкой фазы определяется по формуле:

(3.6)

Плотность водонасыщенных пород σ_в определяется отношением массы горной породы с максимальной влажностью к объему породы. Плотность газонасыщенных σ_г пород определяется отношением массы твердой фазы горной породы к объему, лишенной поровой влаги. Плотность газоводонасыщенных пород σ_гв определяется отношением горной породы с лабораторной влажностью к объему породы.

С плотностью связано понятие удельного веса. Однако в отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от места измерения. Определяется как отношение веса горной породы (P) к объему породы:

(3.7)

где g – ускорение свободного падения в данной местности. Плотность равна удельному весу вещества на ширине 45° на уровне моря.

2. Плотность химических элементов

Плотность химически простых твердых веществ характеризуется постоянным, строго определенным значением. Плотность обусловлена электронным строением и массой ядер атомов. Большая часть массы атомов (99,95-99,97%) сосредоточены в ядрах. Масса атомов каждого химического элемента численно возрастает в порядке их расположения в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева.

Плотность элементов изменяется с определенной периодичностью.

Для каждого периода (т.е. для ряда элементов имеющих одинаковые квантовые числа) наблюдается возрастание плотности и уменьшение атомного радиуса элементов в первой половине периода (рис. 3.1), и понижение плотности и увеличение атомного радиуса – во второй половине периода (рис.3.2). Плотность увеличивается в каждой группе элементов по мере повышения атомной массы (рис.3.3). Для каждого периода наблюдается свой уровень значений плотности, что соответствует дискретному изменению главных квантовых чисел электронов внешних орбит на единицу. (рис.3.1)

(рис.3.2)

(рис.3.3)

3. Плотность газов, жидкостей и минералов

Плотность минералов определяется массой составляющих их химических элементов и строением электронных оболочек атомов этих элементов, которые обуславливают, в свою очередь, формы кристаллической связи, конституцию и габитус кристаллов. Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов с повышенной относительной атомной массой и чем меньше их атомные (ионные) радиусы. С уменьшением атомных радиусов плотность упаковки атомов в единице объема возрастает. Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи. П ородообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.

Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см 3 ) и графит (2,23 г/см 3 ), пирит (2,013 г/см 3 ) и марказит (4,875 г/см 3 ), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см 3 ) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см 3 ). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.

Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см 3 ). Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см 3 (лед) до 22,5 г/см 3 (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные (>4 г/см 3 ), средние (от 2,5 до 4 г/см 3 ) и малой плотности ( 3 ). К плотным минералам относятся:

редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, карнотит, ксенотим);

вольфраматы (шеелит, вольфрамит);

некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).

В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь и др.) и малым атомным (ионным) радиусом. Плотность упаковки – кубическая или гексагональная. Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Это, в основном, породообразующие минералы:

полевые шпаты (альбит, микроклин, плагиоклаз, ортоклаз, лабрадор);

пироксены (авгит, диопсид, гиперстен, эгирин);

слюды (биотит, мусковит, флогопит).

К этой же группе относятся халцедон, алунит, клинохлор, пирофиллит, тальк, волластонит, ангидрит, турмалин, магнезит, андалузит, апатит, форстерит, силлиманит, эпидот, сфен, гранаты, алмаз, топаз и многие другие.

Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности. К ним относятся:

самородные неметаллы – графит и сера;

некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал);

многие минерала класса силикатов (монтмориллонит, галлуазит);

Легкие минералы состоят из элементов с малой относительной атомной массой (водород, бор, углерод, кислород, натрий, кремний, сера, хлор, калий), атомные радиусы которых имеют значительные размеры.

Хорошая дифференциация минералов по плотности позволяет использовать эту величину для их распознавания.

4. Плотность магматических и эффузивных горных пород

Основными факторами, определяющими плотность горных пород, являются: минералогический и химический состав главных породообразующих минералов; структурно-текстурные особенности; степень диагенеза и метаморфизма.

Плотность магматических пород зависит главным образом от состава пород и растет с увеличением их осносвности:

Это объясняется более низкой плотностью кварца по сравнению с железо-магнезиальными минералами – биотитом, пироксенами, роговой обманкой, оливином, количество которых увеличивается в основных и ультраосновных породах.

При одинаковом количестве кремнезема плотность пород щелочного ряда ниже плотности пород нормального ряда, что объясняется высоким содержанием щелочных элементов с большим атомным радиусом, обусловливающим менее плотную упаковку атомов.

В плотностном отношении интрузивные породы одного типа достаточно однородны и сравнительно хорошо выдержаны. Их плотность слабо зависит от структурно-текстурных особенностей и возраста. Некоторое увеличение плотности наблюдается при наличии значительного количества акцессорных рудных минералов.

Примеры плотности изверженных и магнитных пород с увеличением основности:

Туф средняя плотность 1,8 г/см 3 ;

Эффузивные породы в целом подчиняются тем же закономерностям, что и интрузивные: плотность увеличивается от кислых к ультроосновным образованиям. Однако вследствие более высокой пористости плотность эффузивных пород меньше плотности их интрузивных аналогов.

5. Плотность метаморфических горных пород

Под метаморфизмом понимают глубокое изменение и преобразование горных пород, происходящее под воздействие различных эндогенных процессов.

Главными факторами метаморфизма горных пород являются: температура, давление всестороннее, и гидростатическое (в значительной степени определяется глубиной), стресс (давление, ориентированное в одном направлении или одностороннее), химически активные флюиды и газы, выделяющие из внедряющихся магм и поступающие с больших глубин из мантии.

Повышение температуры может быть связаны с погружением горных пород на большую глубину по мере накопления мощных осадков, тепловым воздействием магмы, проникающей в земную кору, местным повышением теплового потока, поступлением глубинных флюидов и др. процессами.

Давление приводит к деформации минералов и вызывает закономерную

пространственную ориентировку их в горных породах. Благодаря деформации возникают пути для перемещения паров воды и газов, что увеличивает интенсивность химических реакций.

Стресс способствует перекристаллизации минералов и горных пород.

В зависимости от сочетания перечисленных факторов форма проявления метаморфизма весьма разнообразна.

При метаморфических преобразованиях горных пород, приспосабливающихся к новым термодинамическим условиям, происходит изменение их физических свойств и, прежде всего, плотности.

В более глубоких зонах, где температура повышается, механическое разрушение пород сменяется пластическими деформациями. Совместное воздействие высоких температур и давлений приводит к некоторому изменению минерального состава, вследствие перераспределения вещества. Сопровождение приноса вещества приводит, наоборот, к возрастанию плотности пород.

Автометаморфизм — происходит в период застывания интрузивной магмы и становления магматических горных пород. Такой метаморфизм протекает в самом интрузивном теле (при его остывании и кристаллизации). Широко развиты процессы амфиболизации (замещение пироксена амфиболом), альбитизации основных плагиоклазов, серпентинизации ультраосновных пород (перидотитов, дунитов).

Серпентинизация пород характерна для большинства известных массивов гипербазитов. Изменение пород отмечается преимущественно с поверхности, но в ряде массивов оно захватывает глубокие горизонты (до 1000-1500 м), особенно вдоль разломов. В процессе серпентинизации происходит разложение минералов с высокой плотностью (пироксенов, оливина) и образование малоплотного серпентина при небольшом содержании магнетита и других акцессорных минералов. Процесс протекает постепенно и характеризуется также постепенным уменьшением плотности пород. Наименьшую плотность имеют серпентиниты. Их дальнейшее изменение – карбонатизация приводит к новому увеличению плотности.

Процесс амфиболизации наиболее характерен для габбро и габбро-норитов, но наблюдается также и в гипербозитах. При амфиболизации происходит разложение пироксена с образованием амфибола и плагиоклазов с кристаллизацией хлорита, серицита и эпидота, т.е. минералов с меньшей плотностью. Измененные породы, как следствие характеризуются пониженной плотностью.

Контактовый метаморфизм. Этот тип метаморфизма связан с внедрением магмы в земную кору. Он наблюдается на контакте интрузий и вмещающих горных пород. При этом изменение происходит не только во вмещающих породах, но и в верхней части самих магматических интрузий. Изменение и преобразование горных пород, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактным метаморфизмом. А изменение, происходящие в краевой части интрузии эндоконтактным метаморфизмом. Здесь присутствуют широко идущие процессы метасоматоза и образование метасоматитов.

Процессы контактового метаморфизма могут быть без существенного изменения химического состава исходной породы, например при образовании роговиков (термальный метаморфизм); иногда они сопровождаются значительными метасоматическими изменениями. Возникающие при метаморфизме осадочных пород роговики характеризуются повышенной плотностью. Степень увеличения плотности определяется минеральным составом роговиков. Кристаллические сланцы, возникающие в результате контактового метаморфизма (с проявлением метасоматоза) глинистых и известково-глинистых осадочных пород, отличаются резко повышенной плотностью по сравнению с исходными породами, что обусловлено появлением минералов с высокой плотностью и резким уменьшением пористости пород.

Региональный метаморфизм проникает на большую глубину и захватывает значительные площади. Факторами регионального метаморфизма являются подъем температуры, давления, воздействием флюидов. В зависимости от их соотношения меняется и степень метаморфизма.

Усиление степени метаморфизма от зелено-каменной фации к эклогитовой сопровождается увеличением плотности. Главное свойство является снижение пористости. Пористость становится 1-2%. Дальнейшее повышение степени метаморфизма, сопровождается увеличением плотности. Это происходит вследствие образования полиморфных модификаций минералов с более уплотненными кристаллическими решетками. При этом первоначальный состав оказывает настолько существенное влияние, что кислые породы высоких стадий метаморфизма имеют меньшую плотность, чем основные породы более низких стадий.

Ультраметаморфизм особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубоких зонах складчатый областей. Процессы ультраметаморфизма вызывают наиболее глубокое изменение горных пород, при котором происходит перекристаллизация, метасоматоз, селективное или полное расплавление. Все эти преобразования сопровождаются разуплотнением пород, что свидетельствует об их приспособлении к условиям более низких давлений и о протекании процессе в условиях повышенных температур.

Частично- или полно- расплавленные горные породы проникают во вмещающие породы. Образуются смешанные породы, состоящие из материала исходной породы и расплава. Эти породы называют мигматиты. Разновидностью мигматитовой формации является чарнокитовая формация. Считается, что чарнокитизация и гранитизация пород – одно из наиболее ярких проявлений ультраметаморфизма. Процессы чарнокитизации и гранитизации (мигматизации) приводят к существенному изменению физических характеристик пород в связи с образованием иных минеральных ассоциаций.

Наблюдается непрерывный ряд формаций:

Таким образом, в процессе чарнокитизации и гранитизации происходит понижение основности и плотности пород, связанное с уменьшением давления и температуры при подъеме блоков из нижних горизонтов земной коры к ее верней части.

Регрессивный метаморфизм или диафторез — связан с изменением термодинамических условий в сторону уменьшения температуры и давления.

Метаморфические горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях вследствие восходящих тектонических движений или других причин, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этих случаях происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциациях на породы, сформированные при более высоких температурах. Это регрессивный метаморфизм.

При регрессивном метаморфизме и диафторезе плотность пород уменьшается. Если эти процессам сопутствует милонитизация, то есть процесс раздробления и перетирания горных пород, то образующиеся кристаллические сланцы отличаются резко пониженной плотностью. Так как вследствие микротрещиноватости увеличивается пористость. Таким образом, низкотемпературные минералы характеризуются более низкой плотностью по сравнению с высокотемпературными минералами.

6. Плотность осадочных горных пород

Значения плотности некоторых типов осадочных пород:

Плотностная характеристика геологического разреза также зависит от плотности жидкой и газообразной фаз и от геохимической деятельности пластовых вод. В естественном залегании осадочные породы, расположенные ниже уровня грунтовых вод, характеризуются относительной влажностью ω=0,8÷1. Основными факторами, определяющими плотность воды, является ее минерализация и температура. Например, увеличение общей минерализации на каждые 40 г/л приводит к увеличению плотности воды на 0,025 г/см 3 (Зинченко В.С., 2005).

Для гидрохимических осадков диагенез пород не имеет существенного значения, поскольку эти породы уже на стадии осадконакопления характеризуются минимальной пористостью. Как следствие диагенеза пород с глубиной отмечается повышение плотности с увеличением возраста пород.

Обогащение породы рудными минералами ведет к увеличению ее плотности до 3,5-4,0 г/см 3 в зависимости от их плотности и процентного содержания. Плотность руд, как правило, очень высокая (3,5- до 5 г/см 3 ) но окисленные руды имеют небольшую плотность (1,5-2,0 г/см 3 ).

7. Способы определения плотности

Плотность горных пород измеряют либо в лабораторных условиях, либо в естественном залегании.

Для определения плотности в лабораторных условиях отбирают образцы горных пород из обнажений, горных выработок, скважин. Масса образцов должна быть 150-200 г. Для каждой разновидности породы отбирают до 50-100 образцов. Отбираемые образцы должны достаточно полно характеризовать геологический разрез. Для влагоемких пород плотность следует определять по свежим образцам с сохранением их естественной влажности.

Плотность твердых пород определяют гидростатическим взвешиванием с помощью специального прибора – денситометра Самсонова. 1). Прибор позволяет определять плотность быстро и с высокой точностью (0,01-0,02 г/см 3 ). В начале определяют массу образца в воздухе, затем в воде. Значение плотности считывается непосредственно с нелинейной шкалы прибора. Для определения плотности рыхлых сыпучих пород, например песка, используют пикнометрический способ. Он сводится к взвешиванию определенного объема горной породы, насыпанный в сосуд цилиндрической формы – пикнометр. Минералогическую плотность также определяют пикнометрическим методом.

Для измерения плотности пород в условиях их естественного залегания используют радиоактивные методы (гамма-гамма-метод в полевом и скважином варианте). При прохождении гамма-квантов через объем горной породы происходят процессы, приводящие к их частичному поглощению веществом, которое пропорционально плотности породы.

Среднюю плотность пород можно определить по данным гравиметрических съемок вдоль профилей, пересекающие характерные формы рельефа. Плотность промежуточного слоя определяют способами Неттльтона, наименьших квадратов, путем решения систем избыточных уравнений по способу Коши. Среднюю плотность горных пород находят также по данным ускорения силы тяжести в горных выработках и скважинах.

8. Плотность различных типов пород и полезных ископаемых

Наибольшей плотностью характеризуются руды тяжелых металлов, представленные магнетитом, гематитом, ильменитом, титаномагнетитом, хромитом, приролюзитом, халькопиритом, пиритом, пирротином, пентландитом, сфалеритом, галенитом, вольфрамитом, шеелитом. Плотность руд в максимальной степени зависит от концентрации рудных компонентов.

Плотность торфа колеблется от 0,45 до 0,8 г/см 3 при высокой, до 95% поритстоти. Низкие значения плотности до 2,2 г/см 3 характерны для графита и углей. Плотность графитизированных пород тем ниже, чем выше в них содержание графита.

Природный газ представляет собой смесь углеводородных газов, то плотность реального природного газа в нормальных условиях близка к плотности воздуха. Однако в пластовых условиях плотность природного газа резко возрастает.

Величина эффективной плотности залежи может быть по следующей формуле:

, (3.8)

где σ_t – эффективная плотность залежи; σ_w – плотность пластовой воды; σ_o.g– плотность нефти и газа в естественных условиях; f – коэффициент пористости; S_o.g – коэффициент нефтегазонасыщения, определяющий степень заполнения объема пор нефтью и газом.

Источник