Introduzione A differenza di altre proprietà fisiche, le densità dei minerali che formano le rocce più comuni sono notevolmente vicine. Le densità effettive dei materiali geologici puri, secchi, variano da 880 kg/m3 per il ghiaccio (e quasi 0 kg/m3 per l’aria) a oltre 8000 kg/m3 per alcuni minerali rari. Le rocce sono generalmente tra 1600 kg/m3 (sedimenti) e 3500 kg/m3 (gabbro). Le tabelle delle densità dei materiali geologici sono date nella maggior parte dei libri di testo, ma la semplicità di una tabella nasconde la vasta gamma di valori che la maggior parte dei materiali reali può mostrare sul campo. Tuttavia, una tabella è utile, e la tabella 2.1, da PV Sharma, 1997 (vedi la pagina dei riferimenti) è mostrata sulla destra. In pratica, le densità di massa (la densità di un intero volume di materiale, incluso lo spazio vuoto) sono spesso controllate più dalla porosità, dal grado di cementazione e dalla miscelazione dei materiali, che dalla composizione minerale. La figura seguente (Grant e West, 1965) enfatizza la sfida di interpretare il materiale geologico dalle misure di densità a causa delle ampie gamme di valori sovrapposti esibiti dai materiali. Le barre indicano intervalli dell’80% di densità di campioni di piccole dimensioni di vari tipi di roccia.

È importante ricordare la differenza tra massa, densità e peso. La densità è la proprietà fisica – è la massa (chilogrammi) per unità di volume. Il peso è la forza sperimentata da quella massa in presenza di un campo gravitazionale. Il tuo peso sulla Luna è 1/6 del tuo peso sulla Terra, ma la tua massa (e densità) è la stessa ovunque tu sia.

Porosità

L’effetto della densità sulla porosità segue una legge di miscelazione, che viene descritta in seguito. Pertanto, la misurazione della densità apparente di un campione può fornire una stima della porosità se i costituenti del campione globale sono noti. La porosità, , è il volume frazionario dei pori di una roccia (per esempio la zona nera nella sezione trasversale di una roccia sedimentaria a destra). La massa totale di un volume di roccia, VT, è costituita dalla massa del fluido dei pori, di densità df, più la massa dei minerali della matrice di densità dma. La densità misurata è la densità apparente db. La massa totale diventa quindi:

Massa totale = VT db = VT df + (1- ) VT dma

Così abbiamo una formula che dà la legge di miscelazione per la densità, che rappresenta la densità apparente in termini di porosità, densità del fluido poroso e densità della matrice:

db = df + (1-) dma

Riordinando i termini, la porosità può essere rappresentata nel modo seguente:

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

Quando sia il tipo di roccia della matrice che il tipo di fluido sono noti, la porosità può essere stimata dalle misure della densità. Questo è comunemente fatto in pozzi di trivellazione dove gli strumenti di densità possono produrre stime accurate della densità di massa db. Questo è anche possibile quando ci sono campioni di carote, anche se bisogna fare attenzione a trovare le vere densità senza distorsioni dovute a carote danneggiate.

Riservazioni

• La maggior parte delle rocce che compongono la crosta terrestre hanno densità tra 2,6 e 2,7 g/cc.
• Alcune rocce ignee di base, che non solo hanno una porosità molto bassa, ma contengono più minerali mafici ricchi di ferro rispetto alle loro controparti della crosta superiore, hanno densità che vanno da 2. 8 a 3,0 g/cc.8 a 3,0 g/cc; alcune rocce esotiche di origine profonda hanno densità fino a 3,4 (per esempio l’eclogite).
• Minerali, ossidi e solfuri di vari metalli sono relativamente densi (vedi la tabella sopra).
• Le argille hanno generalmente una densità tra 1,6 e 2,6 g/cc. Il contenuto di argilla di un terreno ha un effetto significativo sulla sua densità.
• Il sale è di particolare interesse nelle rocce sedimentarie perché ha una bassa densità (2,2 g/cc), ma ha un modulo di massa abbastanza alto che gli dà una velocità sismica relativamente alta (velocità dei segnali acustici all’interno della roccia). Pertanto, le indagini di gravità sono un eccellente complemento al lavoro sismico nell’esplorazione dei prodotti petroliferi.
• A parte quando sono presenti minerali salini o minerali minerali, i contrasti di densità tra materiali ospiti e materiali “bersaglio” incontrati negli studi gravitazionali della crosta raramente superano 0,250g/cc.
• I contrasti sono più alti per i materiali poco profondi. Per questo motivo, in combinazione con la vicinanza dei punti di misurazione ai bersagli, i metodi gravitazionali sono utili per la mappatura dello spessore del sovraccarico. La gravità è anche spesso molto efficace per identificare e mappare i vuoti, come doline, grotte in formazioni carsiche, ecc.

Queste note sono state adattate e aumentate da una pagina simile sul sito web del Berkeley Course in Applied Geophysics.