Geology (Mei 2024)
Fysieke eigenschappen
Fysische eigenschappen van gesteenten zijn van belang en nuttig in vele werkgebieden, waaronder geologie, petrofysica, geofysica, materiaalkunde, geochemie en geotechniek. De omvang van het onderzoek varieert van moleculair en kristallijn tot aardse studies van de aarde en andere planetaire lichamen. Geologen zijn geïnteresseerd in de radioactieve datering van gesteenten om de oorsprong van minerale afzettingen te reconstrueren; seismologen formuleren toekomstige aardbevingsvoorspellingen met behulp van voorbewuste fysische of chemische veranderingen; kristallografen bestuderen de synthese van mineralen met speciale optische of fysische eigenschappen; exploratie geofysici onderzoeken de variatie van fysische eigenschappen van ondergrondse gesteenten om de detectie van natuurlijke hulpbronnen zoals olie en gas, geothermische energie en ertsen van metalen mogelijk te maken;geotechnische ingenieurs onderzoeken de aard en het gedrag van de materialen waarop, of waarin constructies als gebouwen, dammen, tunnels, bruggen en ondergrondse opslagkluizen worden gebouwd; fysici in vaste toestand bestuderen de magnetische, elektrische en mechanische eigenschappen van materialen voor elektronische apparaten, computercomponenten of hoogwaardig keramiek; en ingenieurs van aardoliereservoirs analyseren de respons gemeten op putstammen of in de processen van diep boren bij verhoogde temperatuur en druk.of hoogwaardige keramiek; en ingenieurs van aardoliereservoirs analyseren de respons gemeten op putstammen of in de processen van diep boren bij verhoogde temperatuur en druk.of hoogwaardige keramiek; en ingenieurs van aardoliereservoirs analyseren de respons gemeten op putstammen of in de processen van diep boren bij verhoogde temperatuur en druk.
Omdat gesteenten aggregaten zijn van minerale korrels of kristallen, worden hun eigenschappen grotendeels bepaald door de eigenschappen van hun verschillende samenstellende mineralen. In een rots worden deze algemene eigenschappen bepaald door de relatieve eigenschappen en soms oriëntaties van de verschillende korrels of kristallen te middelen. Als resultaat zijn sommige eigenschappen die anisotroop zijn (dwz verschillen met de richting) op een submicroscopische of kristallijne schaal, tamelijk isotroop voor een groot bulkvolume van de rots. Veel eigenschappen zijn ook afhankelijk van korrel- of kristalgrootte, vorm en pakkingsindeling, de hoeveelheid en verdeling van lege ruimte, de aanwezigheid van natuurlijk cement in sedimentair gesteente, de temperatuur en druk, en het type en de hoeveelheid ingesloten vloeistoffen (bijv. water, aardolie, gassen). Omdat veel gesteenten een aanzienlijk bereik vertonen in deze factoren,de toewijzing van representatieve waarden voor een bepaalde eigenschap gebeurt vaak met behulp van een statistische variatie.
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 ρB = WG/VB, where WG is the weight of grains (sedimentary rocks) or crystals (igneous and metamorphic rocks) and natural cements, if any, and VB 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 Wfl is the weight of pore fluid. In terms of total porosity, saturated density is
and thus
where ρfl 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).
Een compilatie van droge bulkdichtheden voor verschillende gesteentesoorten in de bovenste korst van de aarde staat in de tabel. Een histogramplot van deze gegevens, die het percentage van de monsters geeft als functie van de dichtheid, wordt getoond in Figuur 3. De gegeven parameters omvatten (1) monsterverdeling, het dichtheidsbereik in één gegevenskolom, bijvoorbeeld 0,036 g / cm 3 voor Figuur 3, (2) aantal monsters en (3) standaarddeviatie. De kleine inzetplot is het percentage monsters (op de verticale as) dat binnen het interval van de 'modus - x' tot de 'modus + x' ligt, waarbij x de horizontale as is.
Droge bulkdichtheden voor verschillende gesteentesoorten
| rock type | aantal monsters | gemiddelde (gram per kubieke cm) | standaardafwijking | modus (gram per kubieke cm) | mediaan (gram per kubieke cm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 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.
Andere verdelingsgrafieken van droge bulkdichtheden worden gegeven in figuren 5 en 6, met een monsterverdeling van 0,036 g / cm 3 voor figuren 5 en 6A en van 0,828 procent voor figuur 6B. De tabel bevat typische bereiken van droge bulkdichtheden voor een verscheidenheid aan andere gesteentesoorten zoals opgesteld door de Amerikaanse geologen Gordon R. Johnson en Gary R. Olhoeft.
Typische dichtheidsbereiken voor sommige andere gesteentetypes
| rock type | dichtheid (gram per kubieke cm) |
|---|---|
| Bron: na gegevens van RA Daly, GE Manger en SP Clark, Jr. (1966); AF Birch (1966); F. Press (1966); en RN Schock, BP Bonner en H. Louis (1974) in Robert S. Carmichael (red.), Handbook of Physical Properties of Rocks, vol. III, CRC Press, Inc. (1984). | |
| amfiboliet | 2,79 - 3,14 |
| andesiet glas | 2.40-2.57 |
| anhydriet | 2.82–2.93 |
| anorthosiet | 2,64-2,92 |
| basalt glas | 2,70-2,85 |
| krijt | 2.23 |
| dolomiet | 2,72-2,84 |
| duniet | 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., ρG) and rocks (i.e., ρB) are listed inthe
Tafel. De bulk dichtheid van sedimenten, die typisch variabele porositeit, gegeven als marges van zowel droge ρ B en (water) verzadigde ρ B. De poriënvullende vloeistof is meestal zilte water, vaak indicatief voor de aanwezigheid van zeewater wanneer de rots werd afgezet of gelithificeerd. Opgemerkt moet worden dat de bulkdichtheid lager is dan de korreldichtheid van het samenstellende mineraal (of minerale assemblage), afhankelijk van de porositeit. Bijvoorbeeld zandsteen (karakteristiek quartzose) een typische droge bulkdichtheid van 2,0-2,6 g / cm 3, een poreusheid die variëren van laag tot meer dan 30 procent. De dichtheid van kwarts zelf is 2,65 g / cm 3. Als de porositeit nul was, zou de bulkdichtheid gelijk zijn aan de korreldichtheid.
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).
