Горные породы

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, природные моно и полиминеральные агрегаты, слагающие литосферу Земли в виде самостоятельного геологического тела. В широком смысле к горным породам относят не только твёрдые тела, но также воду, нефть и природные газы. Горные  породы слагают верхние оболочки планет земной группы, их спутников, астероидов. Термин впервые ввёл в геологическую литературу российский геолог В. М. Севергин (1798). Науки, непосредственно изучающие горные породы, - петрография, литология, геохимия, петрофизика, геодинамика.

По происхождению горные породы делят на 4 класса: осадочные горные породы, магматические горные породы (интрузивные и эффузивные), метаморфические горные породы и метасоматические горные породы. Магматические, метаморфические и метасоматические горные породы слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных, которые занимают около 75% площади земной поверхности. Процентное содержание минералов в горных породах определяет её минеральный состав, процентное содержание химических элементов или их характерных соединений (например, SiO₂) - химический состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц обусловливают структуру и текстуру горных пород, которые наряду с химическим и минеральным составом являются их важнейшими диагностическими признаками.

Как физические тела горные породы характеризуются плотностью, упругостью, прочностью, тепловыми, электрическими, магнитными и другими свойствами. Значения физических характеристик пород обычно лежат в пределах: плотность 1100-4700 кг/м³; модуль продольной упругости 5·10⁹-1,5·10¹¹ Па; коэффициент Пуассона 0,15-0,38; предел прочности при сжатии до 5-10⁸ Па; предел прочности при растяжении до 2,0·10⁷ Па; коэффициент теплопроводности 0,2-10 Вт/(м·К); удельная теплоёмкость 0,5-1,5 кДж/ (кг·К); коэффициент линейного теплового расширения 2·10^-6-4·10^-4 К^-1; удельное электрическое сопротивление 10^-2-10¹² Ом·м; относительная диэлектрическая проницаемость 2-30; магнитная восприимчивость 10^-7-3,0. Ряд пород имеет физические параметры, отличающиеся от приведённых значений; например, туфы могут обладать плотностью до 1000 кг/м³. В гидрогеологии и нефтяной геологии важное значение имеют также коллекторские свойства горных пород.

Любые изменения состава, строения, а также термодинамических параметров влекут за собой и изменения свойств горных пород. Увеличение пористости приводит к снижению плотности, прочностных и упругих свойств, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости и др. Теплоёмкость, коэффициент теплового расширения, модуль объёмного сжатия, прочность, упругость, теплопроводность, электропроводность зависят от минерального состава пород и их строения. Механические свойства в первую очередь обусловлены связью между частицами породы. Существование преимущественной ориентации зёрен, трещин, пор, слоёв, прожилок обусловливает анизотропию горных пород. При этом значения модуля продольной упругости, предела прочности при растяжении, теплопроводности, электрической проводимости, диэлектрической проницаемости больше вдоль слоистости, а величины предела прочности при сжатии - поперёк слоистости.

На физические свойства горных пород оказывает влияние размер слагающих их зёрен. У мелкозернистых горных пород выше прочность и упругость, ниже электро- и теплопроводность. Наличие аморфной, стекловидной фазы в породах снижает их прочность и теплопроводность. Большинство горных пород относится к диа- и парамагнетикам; ферромагнитные свойства определяются наличием в их составе железо-, кобальт- и никельсодержащих минералов.

Свойства горных пород зависят также от механического, теплового воздействия и насыщения пород флюидами. Например, при насыщении скальных пород водой увеличиваются их упругость, теплопроводность, теплоёмкость, электрическая проводимость; глинистых пород и пород, содержащих легкорастворимые минералы, - уменьшаются упругость и прочность. Под воздействием высокого давления горные породы уплотняются, их поры деформируются, увеличиваются площади контакта зёрен, что вызывает рост электропроводности, теплопроводности, прочности и т. д. Повышение температуры, как правило, снижает упругость и прочность и усиливает пластичность пород, уменьшает теплопроводность, увеличивает электропроводность и диэлектрическую проницаемость. Появление внутренних напряжений за счёт различных коэффициентов теплового расширения отдельных минералов приводит к возрастанию или уменьшению упругости и прочности пород в зависимости от направления результирующих напряжений. Перестройка кристаллической структуры минералов при нагреве (полиморфные превращения и др.) влечёт за собой резкое изменение свойств породы. Тепловое воздействие приводит также к спеканию, дегидратации, плавлению, возгонке отдельных минералов, что соответственно изменяет свойства пород.

Как объект горных разработок горные породы характеризуются различными технологическими свойствами - крепостью, абразивностью, твёрдостью, буримостью и др. Крепость оценивает сопротивляемость пород механическому разрушению, абразивность - способность пород истирать режущие кромки рабочих механизмов и т. д. Для выбора рациональных методов и механизмов разрушения применяются различные классификации горных пород по технологическим свойствам (например, в практике горного дела широко применяется классификация горных пород по крепости, предложенная профессором М. М. Протодьяконовым). Большинство горных пород применяется в народном хозяйстве в качестве рудного, индустриального, горно-химического сырья, строительных материалов или сырья для их производства. С развитием технологий (и изменением кондиций полезных ископаемых) всё большее число горных пород вовлекается в промышленное производство (например, источником получения глинозёма может служить такая распространённая на Земле горная порода, как анортозит).

Вещественный состав, физические и физико-химические свойства горных пород являются основным источником информации в геологии (в том числе инженерной), при интерпретации данных геофизики, учитываются в горном производстве.

Лит.: Заварицкий А. Н. Изверженные горные породы. М., 1961; Швецов М. С. Петрография осадочных пород. 3-е изд. М., 1958; Справочник физических констант горных пород. М., 1969; Фации метаморфизма. М., 1970; Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. М., 1975; Барон Л. И. Горно-технологическое породоведение. Предмет и способы исследований. М., 1977; Андреева Е. Д., Богатиков О.А., Бородаевская М. Б. Систематика магматических горных пород // Изв. Академии Наук СССР. Сер. геологическая. 1978. № 10; Магматические горные породы: В 6 т. М., 1983-1987; Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. 4-е изд. М., 1984; Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. 2-е изд. Новосиб., 2001.