岩石的物理性质

Question

如题所述

Answer 1

岩石的物理性质主要包括密度、磁性（包括磁化率、磁化强度、剩余磁化强度以及剩余磁化强度同感应磁化强度的比值等）、电性（包括电导率、电容率、极化率等）、孔隙度、渗透率、弹性波速度、导热性、放射性、热学性质（热导率、热容）、硬度等。这里仅介绍几种对理解岩石过程和深部地质最重要的物理性质。

（一）密度

岩石的密度是岩石基本集合相（固相、液相和气相）的单位体积质量。岩石的密度取决于它的矿物组成、结构构造、孔隙度和它所处的外部条件。大多数造岩矿物如长石、石英、辉石等具有离子型或共价型结晶键，密度为2.2～3.5g/cm³（极少数达4.5g/cm³）。结晶键为离子－金属型或共价－金属型的矿物，如铬铁矿、黄铁矿、磁铁矿等密度较大，为3.5～7.5g/cm³。

侵入岩从长英质到超镁铁质，随着SiO₂含量的减少和铁镁氧化物含量的增加，岩石的密度逐渐增大。岩石中金属矿物的含量增高，岩石的密度就增大。矿区花岗岩的密度有的高达2.7g/cm³以上。喷出岩的孔隙度比侵入岩大因而与相应的侵入岩相比密度要小。另外，沉积岩的密度是由组成沉积岩的矿物密度、孔隙度和填充孔隙气体和液体的密度决定的。变质岩的密度主要决定于其矿物组成。密度在重力勘探、油气储层中岩性识别、测井解释等方面应用广泛，此外对理论研究也很重要。

（二）磁性

岩石磁性是由岩石所含铁磁性矿物产生的磁性。常用的岩石磁性参数是磁化率、磁化强度、剩余磁化强度矢量，以及剩余磁化强度同感应磁化强度的比值。岩石的磁性主要决定于组成岩石的矿物的磁性，并受成岩后地质作用过程的影响。一般说，橄榄岩、辉长岩、玄武岩等超基性、基性岩浆岩的磁性最强；变质岩次之；沉积岩最弱。火成岩的磁性取决于岩石中铁磁性矿物的含量。结构构造相同的岩石，铁磁性矿物含量愈高，磁化率值愈大。铁磁性侵入岩的天然剩余磁化强度，按酸性、中性、基性、超基性的顺序逐渐变大；沉积岩的磁性主要也是由铁磁性矿物的含量决定的；变质岩的磁性是由其原始成分和变质过程决定的。

图4－15 火成岩的热导率与温度的关系（转引自Williams et al.，1979）

（三）热导率

热导率是物质导热能力的量度，是一个重要的物理量。符号为λ或k。其定义为：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1m，面积为1m²的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1s内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，它既控制着稳态条件下地壳各层的地温梯度，又决定着诸如侵入体的冷却等非稳态的时间尺度。热导率定义为在稳态热传导条件下，热流密度（即通过单位面积的热流量）除以一维导热体中的温度梯度所得的商。硅酸盐熔体是热的不良导体，它们的热导率（图15）与两种传热体制有关，即正常晶格热传导和辐射热传递。随温度升高和晶格结构膨胀，前一种机制的作用降低，而后一种的增大。到达熔融范围内，两种效应趋于平衡，但在高温下基性岩浆的热导率通常以一个不断增大的速率降低，这种情况待续到1200℃。温度更高时，晶体或流体的暗度快速降低，辐射热传递增强，总的热导率就要高得多。更酸性的岩石，如安山岩和流纹岩，暗度较低，因而在低得多的温度范围内就显示了热导率的增大。

岩石的热导率取决于组成岩石的矿物和固体颗粒间的介质如空气、水、石油等的绝热性质。火成岩和变质岩的热导率相对于沉积岩来说变化范围不大，数值较高。侵入岩中，超基性岩的热导率较高，花岗岩次之，中间成分的侵入岩又次之。喷出岩的热导率比相应的侵入岩小。沉积岩的热导率变化范围大是热导率较低的孔隙充填物造成的。岩石和矿物的热导率与温度、压力有关系。一般说来，温度升高，热导率降低。

（四）热容

岩浆和火成岩的最具特色的热学性质之一是，它们比热容小，而熔融热或结晶热很大。热容（heat capacity）C的定义为C＝△Q/△T（δ－17）。即当一系统接受一微小热量△Q而温度升高△T时，比值△Q/△T即为该系统的热容C。比热容（specific heat capacity）c，则是单位质量的热容，亦即单位质量物质升高一度所需的热量，c＝C/m＝△Q/（m·△T）。熔融热或结晶热△HF是在液相、固相共存的温度下，使单位质量物质熔融或结晶所需增加或移出的热量。对大多数火成岩，常压下的比热容cp约为1255J/（kg·K）（Mcbirney，1984）。例如，玄武岩浆c_p可取1214J/（kg·K），而酸性岩浆的c_p可取1340J/（kg·K）（马昌前等，1994）。而熔融热或结晶热△H_F的典型值约介于（2.5×10⁵～4.2×10⁵）J/kg之间。可见在相变温度下，使岩石熔融所需吸收（或放出）的热量，在其他温度时则能使这些岩石（或岩浆）温度改变200～300℃。

（五）弹性波速

横波（S）是指振动方向与传播方向相垂直的波，纵波（P）是指振动方向与传播方向相同的波。在岩石和矿物中传播的速度v_P和v_S是地球物理勘探中常用的两个参数。岩石中的波速取决于其矿物成分和孔隙充填物的弹性。对固体矿产、油气、工程中的地震勘探、垂直地震剖面（Vertical Seismic Profiling，VSP）等非常重要。

火成岩和变质岩的弹性波速度与岩石密度的关系接近于线性关系，密度越大，速度越高。火成岩和变质岩的含水饱和度增大时，v_P变大，v_S也变大，但不如v_P的变化那样显著。气饱和岩石的vP比相应的水饱和岩石的v_P小。片麻岩等片理发育的岩石，沿片理面测量的波速大于垂直片理面测量的波速，有时相差1倍以上。与结晶岩相比，沉积岩中的弹性波速度受孔隙度的影响很大，变化范围很宽。表4－11列出了一些火成岩的P波速资料，可见，在未蚀变的火成岩中，速度是比较高的，但火山碎屑岩和蚀变的火成岩，波速就变化很大。

表4－11 火成岩的波速

（据Schutter，2003）