Einführung Im Gegensatz zu anderen physikalischen Eigenschaften liegen die Dichten der gebräuchlichsten gesteinsbildenden Mineralien bemerkenswert nahe beieinander. Die tatsächlichen Dichten von reinen, trockenen, geologischen Materialien variieren von 880 kg/m3 für Eis (und fast 0 kg/m3 für Luft) bis zu über 8000 kg/m3 für einige seltene Mineralien. Gesteine haben im Allgemeinen ein Gewicht zwischen 1600 kg/m3 (Sedimente) und 3500 kg/m3 (Gabbro). In den meisten Lehrbüchern finden sich Tabellen mit der Dichte geologischer Materialien, aber die Einfachheit einer Tabelle verbirgt die große Bandbreite der Werte, die die meisten realen Materialien in der Praxis aufweisen können. Nichtsdestotrotz ist eine Tabelle nützlich, und Tabelle 2.1 aus PV Sharma, 1997 (siehe die Seite mit den Referenzen) ist rechts abgebildet. In der Praxis wird die Schüttdichte (die Dichte eines gesamten Materialvolumens, einschließlich des Hohlraums) oft mehr durch die Porosität, den Zementierungsgrad und die Materialmischung als durch die Mineralzusammensetzung bestimmt. Die folgende Abbildung (Grant und West, 1965) verdeutlicht, wie schwierig es ist, geologisches Material anhand von Dichtemessungen zu interpretieren, da sich die Werte der einzelnen Materialien in weiten Bereichen überschneiden. Die Balken zeigen die Spannweite von 80 % der Dichte von Kleinproben verschiedener Gesteinsarten an.

Es ist wichtig, sich an den Unterschied zwischen Masse, Dichte und Gewicht zu erinnern. Die Dichte ist die physikalische Eigenschaft – sie ist die Masse (Kilogramm) pro Volumeneinheit. Das Gewicht ist die Kraft, die diese Masse unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes erfährt. Dein Gewicht auf dem Mond ist 1/6 deines Gewichts auf der Erde, aber deine Masse (und Dichte) ist überall gleich.

Porosität

Die Auswirkung der Dichte auf die Porosität folgt einem Mischungsgesetz, das später beschrieben wird. Daher kann die Messung der Schüttdichte einer Probe eine Schätzung der Porosität liefern, wenn die Bestandteile der Schüttgutprobe bekannt sind. Die Porosität, , ist der Anteil des Porenvolumens eines Gesteins (z. B. die schwarze Zone im Querschnitt eines Sedimentgesteins auf der rechten Seite). Die Gesamtmasse eines Gesteinsvolumens, VT, setzt sich aus der Masse der Porenflüssigkeit mit der Dichte df und der Masse der Matrixminerale mit der Dichte dma zusammen. Die gemessene Dichte ist die Schüttdichte db. Die Gesamtmasse ist dann:

Gesamtmasse = VT db = VT df + (1- ) VT dma

Wir haben also eine Formel, die das Mischungsgesetz für die Dichte angibt, das die Schüttdichte in Form der Porosität, der Porenflüssigkeitsdichte und der Matrixdichte darstellt:

db = df + (1-) dma

Durch Umstellen der Terme kann die Porosität wie folgt dargestellt werden:

=(dma- db)/(dma- df)

Wenn sowohl der Gesteinstyp der Matrix als auch der Fluidtyp bekannt sind, kann die Porosität anhand von Dichtemessungen geschätzt werden. Dies wird üblicherweise in Bohrlöchern durchgeführt, in denen Dichte-Messgeräte genaue Schätzungen der Schüttdichte db liefern können. Dies ist auch möglich, wenn Kernproben vorhanden sind, obwohl darauf geachtet werden muss, dass die wahren Dichten ohne Verzerrungen durch beschädigte Kerne ermittelt werden.

Bemerkungen

• Die meisten Gesteine der Erdkruste haben eine Dichte zwischen 2,6 und 2,7 g/cm3.
• Einige basische Eruptivgesteine, die nicht nur eine sehr geringe Porosität aufweisen, sondern auch mehr eisenreiche mafische Minerale enthalten als ihre Gegenstücke in der oberen Kruste, haben eine Dichte von 2.8 bis 3,0 g/cm3; einige exotische Gesteine tiefliegenden Ursprungs haben eine Dichte von bis zu 3,4 (z. B. Eklogit).
• Erzminerale, Oxide und Sulfide verschiedener Metalle sind relativ dicht (siehe Tabelle oben).
• Tone haben im Allgemeinen eine Dichte zwischen 1,6 und 2,6 g/cc. Der Tongehalt eines Bodens wirkt sich erheblich auf seine Dichte aus.
• Salz ist in Sedimentgesteinen von besonderem Interesse, da es eine niedrige Dichte (2,2 g/cc), aber einen ziemlich hohen Schüttungsmodul hat, was ihm eine relativ hohe seismische Geschwindigkeit (Geschwindigkeit der akustischen Signale im Gestein) verleiht. Daher sind Schwerkraftmessungen eine hervorragende Ergänzung zu seismischen Arbeiten bei der Suche nach Erdölprodukten.
• Abgesehen von der Anwesenheit von Salz oder Erzmineralen übersteigen die Dichtekontraste zwischen Wirts- und „Ziel“-Materialien, die bei Schwerkraftuntersuchungen der Kruste angetroffen werden, selten 0,250 g/cc.
• Die Kontraste sind bei oberflächennahen Materialien höher. Aus diesem Grund und in Verbindung mit der Nähe der Messorte zu den Zielen sind Schwerkraftmethoden nützlich, um die Mächtigkeit des Deckgebirges zu kartieren. Die Schwerkraft ist auch oft sehr effektiv bei der Identifizierung und Kartierung von Hohlräumen, wie z.B. Dolinen, Höhlen in Karstformationen, usw.

Diese Hinweise wurden von einer ähnlichen Seite auf der Website des Berkeley Course in Applied Geophysics übernommen und ergänzt.