Определяющие факторы физических свойств пород

Эти факторы – химический состав и структура.

Химический состав определяется:

а) структурой атомов − числом протонов и нейтронов, распределением электронов по оболочкам, зонной электронной структурой;

б) молекулярной структурой - типом связей атомов, их силой, направленностью;

в) изоморфным замещением и атомами примесей в решетке минералов, акцессорными минералами в горной породе, концентрацией и составом флюидов;

Структура горных пород определяется, кроме того:

г) кристаллической структурой минералов: плотностью упаковки, симметрией, дефектами;

д) минеральным составом, соотношениями зерен;

ж) пористостью, содержанием флюидов.

В региональной геофизике важны свойства: плотность, магнитная восприимчивость, удельное электрическое сопротивление, скорости распространения сейсмических волн.

Они в разной степени обусловлены этими факторами. Для каждого из свойств набор определяющих факторов индивидуален.

Если некоторые факторы являются общими для разных свойств пород, между этими свойствами обнаруживается корреляционная зависимость.

Сами факторы тоже зависимы: атомная структура определяет кристаллическую, они обе во многом определяют макроструктуру горных пород.

Радиоактивность

Структура ядра Плотность

Электронная структура Электропроводность

Намагниченность

Состав ядра - число протонов P (атомный номер), суммарное число протонов P и нейтронов N (массовое число М = P + N). Обычно N > P.

Радиоактивны тяжелые атомы с N >> P (ядра неустойчивы). Радиоактивны некоторые легкие изотопы. Горные породы радиоактивны из-за концентрации в них этих элементов, как акцессорных.

Состав ядра как фактор для минералов и горных пород выражается средней атомной массой M _а, которая определяет плотность минералов и горных пород, а также влияет на упругие свойства.

Электронная конфигурация определяет тип магнетизма.

Атомы с четным числом электронов по правилу Хунда - антипараллельной ориентировки магнитных моментов электронов - диамагнетики. Они намагничиваются индуктивно, против намагничивающего поля.

Атомы с нечетным числом электронов - парамагнетики. Намагниченность имеет ориентационную природу, направление намагниченности - по полю.

Парамагнитными также являются переходные металлы с энергетической инверсией электронных оболочек (4 s -3 d в группе железа, 5 s -4 d в группе палладия, 6 s -4 f -5 d в группе платины, вокруг оболочки 5 f у актинидов).

Парамагнетики при невысокой температуре приобретают магнитную упорядоченность в виде параллельной ориентации магнитных моментов электронов валентной оболочки (магнитный фазовый переход при температуре Кюри) и становятся ферромагнитными.

Зонная электронная структура атомов определяет электропроводность веществ.

Если валентная зона атома перекрывается разрешенной зоной проводимости, вещество является проводником.

У полупроводников между заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости есть неширокая (0,1-5 эВ) запрещенная зона, которая преодолевается электронами при сильном электрическом, тепловом или механическом возбуждении.

Диэлектрики имеют широкую (> 5 эВ) запрещеннуюзону между валентной зоной и зоной проводимости.

Элементы (C, N, O, Al, Si, P, S, Cl и др.), входящие во многие соединения, имеют валентные p-электроны, у которых орбитальное квантовое число l = 1, а другие (в частности, переходные металлы группы железа) - d -электроны (l = 2).

Электронные орбитали этих элементов имеют ориентировку, что определяет образование направленных связей с различной энергией по разным осям.

Отсюда – анизотропия тензорных свойств (модулей упругости) и векторных (скоростей упругих волн).

Кристаллическая структура минералов формируется

на основе связей: ионной, ковалентной, металлической.

Ионная связь сильная, ненаправленная, создает симметричную электронную конфигурацию, организует структуру с высокой симметрией. Ионные кристаллы - почти изотропные по физическим свойствам, обычно диэлектрики, они прозрачны, имеют низкую теплопроводность.

Ковалентная связь создается общими для каждой пары атомов электронами (обычно p). Она направленная; чем меньше валентных электронов, тем резче выражена направленность. Этим определяется низкая симметрия, анизотропия свойств кристаллов. Чисто ковалентная связь бывает только между одинаковыми атомами. Ковалентные кристаллы часто являются полупроводниками, у них довольно высокая теплопроводность, они непрозрачны для видимого света, твердые, с большими значениями упругих модулей.

Металлическая связь образуется нелокализованными на атомах валентными электронами. Металлы пластичны, имеют высокую электропроводность и теплопроводность, не прозрачны.

Дата добавления: 2014-01-20