Физико-химические условия образования метасоматитов. Вторичные кварциты формируются в обстановке интенсивного кислотного метасоматоза при выщелачивании всех компонентов, кроме Si и Al.
Вторичные кварциты являются результатом воздействия на кислые и средние породы среднетемпературных (T=300-500 °C) насыщенных SiO2кислых (pH=1-4) преимущественно хлоридных растворов (Cl->>F-), содержащих углекислоту, SO4-2 и, возможно, BO3-3; в катионной части растворов преобладают K+ и Na+. Максимальные метасоматические изменения происходят в приповерхностных зонах, где благодаря высокой пористости и трещиноватости обеспечивается относительно свободная циркуляция кислорода, а горные породы обогащены вадозными водами, которые и производят интенсивное кислотное выщелачивание. Под воздействием таких растворов возникают не только вторичные кварциты, но и серицитолиты, аргиллизиты, пропилиты.
Распространенность и рудоносность метасоматитов. Метасоматиты фации вторичных кварцитов приурочены к центрам наземного, а иногда подводного вулканизма кислого и среднего составов. С массивами вторичных кварцитов связаны крупные месторождения глиноземистого сырья, главным образом корунда (Семиз-Бугу, Центральный Казахстан) и алунита (Заглик, Азербайджан). Приповерхностные вторичные кварциты содержат самородную серу (Камчатка, Курильские острова, Япония).
Рудные месторождения (Mo, Cu, Zn, Pb, Au, Ag, U и др.), пространственно связанные с вторичными кварцитами, как правило, наложены на эти метасоматиты и значительно отделены от них во времени.
7. Физические, физико-механические, инженерно-геологические свойства
Плотность – это свойство веществ, определяющееся их массой m (физической характеристикой материи) и объёмом V:
s = m/V.
Масса образца состоит из массы твёрдой фазы mт и жидкости mж; массой газообразной фазы mг можно пренебречь. Объем образца состоит из объёма твёрдой фазы Vт и объема пор Vп. Следовательно,
s = mт +mж /Vт +Vп.
Отношение массы твёрдой фазы породы к занимаемому ею объёму называется
кп = Vп /V; n = кп/(1+кп).
Если относительная влагонасыщенность образца p ≤ 1, то масса жидкой фазы в образце
mж = p*sж *Vп,
где sж - плотность жидкости, заполняющей поры.
Плотность образца определяется по формуле
s = (1 – кп)d + кпpsж.
Для водонасыщенного образца ( p = 1, sж = 1 г/см3) плотность
sвл = d - кп(d - 1).
Для газонасыщенного образца (p = 0)
sг = (1- кп)d.
В зависимости от структуры и текстуры пород структура порового пространства может быть разной. Она характеризуется открытой и эффективной пористостью.
С плотность вещества тесно связан их удельный вес, определяющейся из отношения силы тяжести тела (вес тела P) к его объёму
sв = P/V = gs,
где g – ускорение свободного падения.
7.1.1 Плотность горных пород, образовавшихся при контактовом метаморфизме
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 (см. табл. 1) и резким уменьшением пористости пород.
Таблица 1
Плотность (в г/см3) пород, образовавшихся при контактовом метаморфизме
Метаморфизм | Порода, формация | sср | smin - smax |
контактовый | сланец пятнистый | 2,55 | 2,50-2,70 |
| роговик | 2,74 | 2,60-2,85 | |
| скарн | - | 2,85-3,45 | |
| кварцит | 2,62 | 2,57-2,68 |
7.2 Магнитные свойства горных пород
Магнетизм вещества связан с особенностями строения внешних и внутренних атомных орбит, а магнетизм горных пород, кроме того, и с кристаллохимией слагающих их минералов. По типу магнетизма выделяются диа- и парамагнитные химические элементы, образующие все главные породообразующие минералы, и ферромагнитные элементы и минералы, магнитные свойства которых во много раз сильнее магнитных свойств первых и обладают рядом специфических черт.
В веществе, помещённом в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее (намагничивающее). Напряжённость суммарного магнитного поля (внешнего и внутреннего) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция
Намагниченность вещества J является функцией внешнего поля. Для парамагнетиков связь между Jи H в широкой области полей носит линейный характер: J= æH, где безразмерная величина æ носит название магнитной восприимчивости. Для ферромагнетиков условно принимают туже форму записи, но их æ сложным образом зависит от поля.
С той же оговоркой связь между величиной магнитной индукции и внешним полем выражается через магнитную проницаемость
m = mо(1+ æ).
Для характеристики магнитной проницаемости вакуума используется величина mо, равная 107/4p.
7.2.1 Магнитные свойства метаморфических пород
Для метаморфических пород характерен наиболее широкий диапазон изменения значений магнитной восприимчивости и естественной остаточной намагниченности. Встречаются образования от диамагнитных до очень сильно ферромагнитных. Широкие пределы изменения æ, J, Jnобусловлены сравнительно редко распространенными породами – мраморами и кристаллическими известняками, характеризующимися отрицательной магнитной восприимчивостью и железистыми кварцитами, серпентинитами, скарнами, среди которых встречаются очень сильно магнитные разности, по значениям æ, J и Jnприближающиеся к магнетитовым рудам. Наиболее широко развитые метаморфические породы – микрокристаллические и кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты и другие имеют меньший диапазон изменения значений параметров; они обладают более низкими максимальными значениями, чем магматические образования.
Контактовый метаморфизм определяет образование пород, характеризующихся очень непостоянными магнитными свойствами, что зависит как от параметров исходных пород, так и от давлений и температур, обуславливающих метаморфизм.
Так, для скарнов, наиболее вероятная величина магнитной восприимчивости (в 10-5 ед. СИ) – 10 - 12000, а максимальная величина – 30000.
7.3 Электрические свойства
Из электрических свойств веществ наибольшее значение в геофизике имеют удельное электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, естественная и вызванная поляризация и пьезоэлектрический эффект.
Возможность направленного движения частиц (электронов и ионов) под действием внешнего электрического поля обусловливает электропроводность веществ. Сопротивление возникающему электрическому току вызывается хаотическим (тепловым) перемещением заряженных частиц и зависит от строения электронной оболочки атомов, кристаллохимических структур минералов и ионизационных свойств водных растворов солей.
Удельное электрическое сопротивление
r = Rs/l,
где R – сопротивление вещества, Ом; l – длина тела, м; s – поперечное сечение тела, м2.
Удельная электрическая проводимость g = 1/r.
По природе электропроводности выделяются: проводники, полупроводники и диэлектрики (электронные и ионные).
7.3.1 Удельное электрическое сопротивление метаморфических пород
Удельное электрическое сопротивление метаморфических пород зависит от ряда факторов. Выше уровня грунтовых вод породы характеризуются гигроскопической влажностью; их сопротивление достигает 103 – 106 Ом×м. Наблюдается значительное колебание сопротивления пород в зависимости от климатических условий. Ниже уровня грунтовых водообильность кристаллических пород определяется наличием в них связанных (капиллярных) и свободных (гравитационных) вод. Капиллярная влажность для ненарушенных массивов и толщ, главным образом ниже зоны выветривания. Свободные гравитационные воды в складчатых областях и древних щитах являются трещинно-жильными; они подразделяются на трещинные воды зоны выветривания (до 100 м), жильные воды (до 1- 2 км) и трещинно-карстовые.
Удельное сопротивление кристаллических пород, обводнённых трещинно-жильными водами, в несколько раз меньше сопротивление тех же пород в ненарушенных массивах.