Wprowadzenie W przeciwieństwie do innych właściwości fizycznych, gęstości najpospolitszych minerałów skałotwórczych są niezwykle zbliżone do siebie. Rzeczywiste gęstości czystych, suchych, geologicznych materiałów wahają się od 880 kg/m3 dla lodu (i prawie 0 kg/m3 dla powietrza) do ponad 8000 kg/m3 dla niektórych rzadkich minerałów. Skały mają zazwyczaj gęstość od 1600 kg/m3 (osady) do 3500 kg/m3 (gabro). Tabele gęstości materiałów geologicznych są podane w większości podręczników, ale prostota tabeli ukrywa szeroki zakres wartości, jakie większość rzeczywistych materiałów może wykazywać w terenie. Niemniej jednak, tabela jest przydatna, a Tabela 2.1, z PV Sharma, 1997 (patrz strona z referencjami) jest pokazana po prawej stronie. W praktyce gęstość nasypowa (gęstość całej objętości materiału, łącznie z przestrzenią pustą) jest często bardziej kontrolowana przez porowatość, stopień scementowania i mieszanie materiałów, niż przez skład mineralny. Poniższy rysunek (Grant i West, 1965) podkreśla wyzwanie, jakim jest interpretacja materiału geologicznego na podstawie pomiarów gęstości ze względu na szeroki zakres nakładających się wartości wykazywanych przez materiały. Bars wskazują zakresy 80 procent gęstości małych próbek masowych różnych rodzajów skał.

Ważne jest, aby przypomnieć sobie różnicę między masą, gęstością i ciężarem. Gęstość jest właściwością fizyczną – jest to masa (kilogramy) na jednostkę objętości. Waga to siła doświadczana przez tę masę w obecności pola grawitacyjnego. Twoja waga na Księżycu jest 1/6 twojej wagi na Ziemi, ale twoja masa (i gęstość) jest taka sama, gdziekolwiek jesteś.

Porowatość

Wpływ gęstości na porowatość wynika z prawa mieszania, które jest opisane później. Dlatego pomiar gęstości objętościowej próbki może dostarczyć szacunkowych danych na temat porowatości, jeśli znane są składniki próbki objętościowej. Porowatość, , jest ułamkową objętością porów w skale (na przykład czarna strefa w przekroju poprzecznym skały osadowej po prawej stronie). Całkowita masa objętości skały, VT, składa się z masy płynu porowego, o gęstości df, oraz masy minerałów macierzy o gęstości dma. Zmierzona gęstość to gęstość nasypowa db. Masa całkowita wynosi zatem:

Masa całkowita = VT db = VT df + (1- ) VT dma

Mamy więc wzór dający prawo mieszania dla gęstości, które przedstawia gęstość nasypową w kategoriach porowatości, gęstości płynu porowego i gęstości matrycy:

db = df + (1-) dma

Poprzez ponowne uporządkowanie pojęć, porowatość można przedstawić w następujący sposób:

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

Gdy znany jest zarówno typ skały matrycy, jak i typ płynu, porowatość można oszacować na podstawie pomiarów gęstości. Jest to powszechnie stosowane w otworach wiertniczych, gdzie przyrządy do pomiaru gęstości mogą dostarczyć dokładnych szacunków gęstości objętościowej. Jest to również możliwe, gdy istnieją próbki rdzenia, chociaż należy zachować ostrożność, aby znaleźć prawdziwe gęstości bez uprzedzeń z uszkodzonych rdzeni.

Uwagi

• Większość skał składających się na skorupę ziemską ma gęstość pomiędzy 2,6 a 2,7g/cc.
• Niektóre podstawowe skały iglaste, które nie tylko mają bardzo niską porowatość, ale zawierają więcej bogatych w żelazo minerałów maficznych niż ich górne odpowiedniki skorupowe, mają gęstość w zakresie od 2.8 do 3,0 g/cc; niektóre skały egzotyczne pochodzenia głębinowego mają gęstość nawet 3,4 (np. eklogit).
• Minerały rudne, tlenki i siarczki różnych metali mają stosunkowo dużą gęstość (patrz tabela powyżej).
• Gęstość glin wynosi na ogół od 1,6 do 2,6 g/cc. Zawartość gliny w glebie ma znaczący wpływ na jej gęstość.
• Sól jest szczególnie interesująca w skałach osadowych, ponieważ ma niską gęstość (2.2 g/cc), ale ma dość wysoki moduł objętościowy, co daje jej stosunkowo wysoką prędkość sejsmiczną (prędkość sygnałów akustycznych w skale). Dlatego badania grawimetryczne są doskonałym uzupełnieniem prac sejsmicznych w poszukiwaniu produktów naftowych.
• Inne niż w przypadku obecności soli lub minerałów rudnych, kontrasty gęstości pomiędzy materiałami gospodarza i „celu” napotykane w badaniach grawitacyjnych skorupy ziemskiej rzadko przekraczają 0.250g/cc.
• Kontrasty te są wyższe dla płytkich materiałów. Z tego powodu, w połączeniu z bliską odległością miejsc pomiarowych od celów, metody grawimetryczne są przydatne do mapowania grubości nadkładu. Grawitacja jest również często bardzo skuteczna w identyfikacji i mapowaniu pustek, takich jak zapadliska, jaskinie w formacjach krasowych, itp.

Te notatki zostały zaadaptowane i rozszerzone z podobnej strony na stronie Berkeley Course in Applied Geophysics.