Физические свойства горных пород и полезных ископаемых справочник геофизика

Целью изучения учебной дисциплины «Физика горных пород» является изучение физических и физико-химических процессов, происходящих в горных породах, физических свойств, реализующихся в этих процессах и характеризующих различный вклад горных пород в формирование физических полей, изменчивость физических свойств горных пород и факторы, которые её определяют, взаимосвязь различных физических, геохимических и петрохимических свойств горных пород, определяющуюся их генезисом и историей развития.

Основой для геологической интерпретации геофизических данных служат сведения о физических свойствах горных пород – петрофизические данные. Последние позволяют осуществить переход от этапа физико-математической интерпретации данных к их геологическому истолкованию. Таким образом, физика горных пород, или петрофизика, как учебная дисциплина, имеет задачей дать студентам понятия о физических свойствах горных пород и полезных ископаемых, закономерностях и пределах их изменения и является фундаментом грамотного истолкования геофизических данных при решении конкретных геологических задач.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Учебная дисциплина «Физика горных пород» входит в состав общей базовой части математического и естественнонаучного цикла дисциплин подготовки специалистов по специальности 130102 «Технологии геологической разведки» и изучается студентами специализаций «Геофизические методы поисков месторождений полезных ископаемых», «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и «Сейсморазведка» в течение 5-го семестра после прохождения курсов «Математика», «Физика», «Химия», «Геология», «Разведочная геофизика».

Для освоения дисциплины «Физика горных пород» требуется предварительная подготовка в объеме полной средней школы и освоение дисциплин общей базовой части математического и естественнонаучного цикла: «Математика», «Физика», «Химия» и дисциплины общей базовой части профессионального цикла «Разведочная геофизика».

Дисциплина является предшествующей для освоения учебных дисциплин: по специализации № 1 «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых», таких как: «Сейсморазведка», «Электроразведка», «Гравиразведка», «Магниторазведка» и по специализации № 3 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»: дисциплины «Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ».

3. Требования к результатам освоения дисциплины

Процесс изучения студентом дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

— представлять современную картину мира на основе целостной системы естественнонаучных и математических знаний, ориентироваться в ценностях бытия, жизни, культуры (ОК-1);

— обобщать, анализировать, воспринимать информацию, ставить цели и выбирать пути ее достижения (ОК-2);

— логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь (ОК-3);

— работать в коллективе в кооперации с коллегами (ОК-4);

— к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-9);

— самостоятельно приобретать новые знания и умения с помощью информационных технологий и использовать их в практической деятельности, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ПК — 2);

— понимания значимости своей будущей специальности, ответственного отношения к своей трудовой деятельности (ПК-5);

— самостоятельно принимать решения в рамках своей профессиональной компетенции, работать над междисциплинарными проектами (ПК-6);

— понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ПК-7);

— владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки обработки данных и работы с компьютером как средством управления информацией (ПК-8).

— находить, анализировать и перерабатывать информацию, используя современные информационные технологии (ПК-25);

— обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющегося мирового опыта, представлять результаты работы, обосновывать предложенные решения на высоком научно-техническом и профессиональном уровне (ПК-26).

В результате изучения дисциплины студент должен:

— физические свойства осадочных, магматических и метаморфических горных пород;

— петрофизические связи; способы изучения физических свойств и способы представления геофизической информации;

— устройство лабораторных установок и приборов для измерения физических свойств горных пород, способы их регулировки и настройки;

— методы анализа петрофизических связей.

— применять математические методы и физические законы для решения типовых профессиональных задач;

— пользоваться таблицами и справочниками;

— выбирать методы анализа химических элементов в природных средах и использовать их для решения геологических и технических задач;

— подготовить образцы керн к исследованиям;

— измерять физические свойства образцов горных пород в лабораторных и полевых условиях;

— применять петрофизические связи для геологической интерпретации геофизических данных;

— строить петрофизические модели геологических объектов на основе изучения

физических и физико-механических свойств горных пород.

— методами построения математических, физических и химических моделей при решении производственных задач;

— навыками в области информатики и современных информационных технологий для работы с технологической и геологической информацией;

— методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях;

— навыками определения физических свойств горных пород как в атмосферных условиях, так и в условиях приближенным к пластовым; обработки данных петрофизических исследований на компьютере.

Объём дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 3 зачётные единицы.

По физическим свойствам геологического объекта

Рис.1. 4 Пример отображения в геофизическом поле, контрастного

Рис. 1.3 Схема процесса геофизических работ

Рис.1.1. Связь геофизики с другими естественно-научными науками

Введение в геофизику

Лекция 1. Тема: Предмет геофизики. Основные понятия и определения. Структура разделов, содержательная часть модулей…

Заложение основ геофизики восходят в давние времена, но как самостоятельная наука геофизика стала оформляться в XIX веке, а окончательно сформировалась уже в ХХ столетии. Основой геофизики являлись такие фундаментальные науки, как физика, геология, математика и астрономия. Она тесно связана с геодезией, геохимией, а в части методов и технологий геофизических наблюдений с радиотехникой – радиоэлектроникой. Связь геофизики с другими естественными науками отображена на схеме, рис. 1.1.

Разведочная геофизика — совокупность прикладных наук относящихся к изучению распределения в земной коре геофизических полей с целью поисков, оценки и разведки месторождений полезных ископаемых.

Структуру разведочной геофизики по направлениям, видам работ и используемым геофизическим полям можно отобразить схемой (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Классификационная схема разведочной геофизики

Под геофизическим полем следует понимать материальную среду, в которой определенным образом распределяются физические потоки. То есть поле испытывает в земной коре деформации (усиление или ослабление) в зависимости от физических свойств геологических объектов. Поскольку геологическая среда является гетерогенной (неоднородной), то деформация геофизических полей происходит повсеместно и задача разведочной геофизики исследовать особенности аномальных значений поля, приуроченных к тем или иным полезным ископаемым, или элементом геологической среды, подверженным воздействию экзогенных (оползень, карст) и/или эндогеннх (землетрясение, извержение вулкана), а также антропогенных (загрязнение подземных вод, тепловые аномалии в мегаполисах).

Цель применения методов полевой геофизики – получить над исследуемым объектом аномалию и в последующем выполнить геологическое истолкование этой аномалии. Этот процесс достаточно сложный. Поэтому система знаний полевой геофизики требуют изучения таких наук как физика, геология (литология, геохимия, структурная геология), математика, информатика, радиотехника и радиоэлектроника. Обязательное знание закономерностей изучения физических свойств пород (петрофизика).

Полный цикл геофизических исследований включает:

1) Полевые геофизические наблюдения, цель которых зарегистрировать сигналы геофизических полей с соответствующей аппаратурой;

2) Получения сведений и проведения измерений физических свойств горных пород;

3) Решение прямой геофизической задачи (физическое или математическое моделирование);

4) Решение обратной геофизической задачи с целью получения геофизического разреза или геофизической карты;

5) Трансформацию геофизического разреза в геологический посредством петрофизических связей.

Прямая геофизическая задача— это получение теоретической кривой (графика) над объектом заданной геометрической формы с конкретными физическими параметрами. Задача решается путем математического или физического моделирования.

Обратная геофизическая задача —это интерпретация результатов полевых измерений с целью получения полного представления о геологических свойствах, геометрической форме и физических параметрах изучаемого объекта. Задача решается путем сопоставления полевой (наблюденной кривой) с теоретическими кривыми (метод подбора). При неоднозначности решения требуется привлечение дополнительных геолого-геофизических данных.

Как правило, регистрируемые геофизические параметры являются интегральными показателями изучаемой среды, где наибольший вклад в суммарное аномальное поле выполняют те объекты, которые наиболее контрастны по физическим свойствам и соответственно являются большими по геометрическим размерам.

Выявление таких локальных объектов производят специальными интерпретационными пределами. Наиболее простой способ заключается в вычитании из аномального поля нормального поля. Считается, что вмещающая объект геологическая среда является нормальным полем и аномалию создает только исследуемый локальный объект. Полевую геофизику в целом и любой ее раздел можно представить как информационно-измерительный тракт (Рис 2).

Структура геофизического поляв соответствии с его определением формируется физическими процессами относящихся к действию гравитационных и магнитных масс, электрофизических и электродинамических процессов и т.д. Принято различать нормальное и аномальное поля. Нормальное поле в идеальном случае это поле в однородной изотропной среде, т.е. в природном объекте, где изменение физических свойств со всех направлениях одинаково, например: вода, песок. В реальных геологических средах под нормальным полем понимают поле вне аномального (изучаемого) объекта, например: интрузивное образование в осадочных отложениях, где осадочные отложения являются объектом, формирующим нормальное поле, а интрузивное — аномальное поле.

Пример отображения в геофизическом поле, контрастного по физическим свойствам геологического объекта показан на рис 1.3.

1 — Покровные отложения; 2 — песок; 3 — глина; 4 — известняк; 5 — интрузия.

Все геофизические поля характеризуются параметрами, основными из которых являются напряженность (Е) и потенциал (U).

Напряженность характеризуется его концентрацией в той или иной точке исследования. В нормальном поле его концентрация равномерная, а в аномальном происходит деформация поля, то есть его усиление или ослабление. Соответствующим образом изменяется потенциал.

Переход от параметров поля к показателям среды т.е. значением физических свойств осуществляется путем так называемых материальных уравнений. К относятся уравнения классических физических законов, например Ньютона, Ома, Био, Савара и др.

Тенденции изменения геофизических параметров изучаются в зависимости от Геологических признаков. При этом горная порода, как совокупный агрегат из минералов определенного состава, рассматривается как полифазная, многокомпонентная, термодинамическая система с присущими ей количественными физическими показателями.

Типовая классификация горных пород для изучения физических показателей представлена на рис. 1.5.

Национальный Минерально-сырьевой Университет «Горный»

Национальный Минерально-сырьевой Университет «Горный»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

по специальности 130102

«физика горных пород»

Специальность: 130102 «Технологии геологической разведки»

«Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых»,

«Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»

Квалификация (степень) выпускника: специалист

Форма обучения: очная

Научный редактор: проф.

Цели и задачи дисциплины