Geologi batuan

Properti fisik

Sifat fisik batuan menarik dan bermanfaat dalam banyak bidang pekerjaan, termasuk geologi, petrofisika, geofisika, ilmu material, geokimia, dan teknik geoteknik. Skala investigasi berkisar dari molekul dan kristal hingga studi terestrial dari Bumi dan benda-benda planet lainnya. Ahli geologi tertarik pada penanggalan usia radioaktif batu untuk merekonstruksi asal dari deposit mineral; seismolog merumuskan prediksi gempa bumi prospektif menggunakan perubahan fisik atau kimia pertanda; ahli kristalografi mempelajari sintesis mineral dengan sifat optik atau fisik khusus; ahli geofisika eksplorasi menyelidiki variasi sifat fisik batuan bawah permukaan untuk memungkinkan deteksi sumber daya alam seperti minyak dan gas, energi panas bumi, dan bijih logam;insinyur geoteknis memeriksa sifat dan perilaku bahan di, di, atau di mana struktur seperti bangunan, bendungan, terowongan, jembatan, dan ruang penyimpanan bawah tanah harus dibangun; fisikawan solid-state mempelajari sifat magnetik, listrik, dan mekanik dari material untuk perangkat elektronik, komponen komputer, atau keramik berkinerja tinggi; dan insinyur reservoir minyak bumi menganalisis respons yang diukur pada log sumur atau dalam proses pengeboran dalam pada suhu dan tekanan tinggi.atau keramik berkinerja tinggi; dan insinyur reservoir minyak bumi menganalisis respons yang diukur pada log sumur atau dalam proses pengeboran dalam pada suhu dan tekanan tinggi.atau keramik berkinerja tinggi; dan insinyur reservoir minyak bumi menganalisis respons yang diukur pada log sumur atau dalam proses pengeboran dalam pada suhu dan tekanan tinggi.

Karena batuan merupakan agregat dari butiran atau kristal mineral, sifatnya sebagian besar ditentukan oleh sifat berbagai mineral penyusunnya. Dalam sebuah batu, sifat-sifat umum ini ditentukan dengan rata-rata sifat relatif dan kadang-kadang orientasi berbagai butir atau kristal. Akibatnya, beberapa sifat yang anisotropik (yaitu, berbeda dengan arah) pada skala submikroskopik atau kristal cukup isotropik untuk volume besar batuan. Banyak properti juga tergantung pada butir atau ukuran kristal, bentuk, dan pengaturan pengepakan, jumlah dan distribusi ruang kosong, keberadaan semen alami di batuan sedimen, suhu dan tekanan, dan jenis dan jumlah cairan yang terkandung (misalnya, air, minyak bumi, gas). Karena banyak batuan menunjukkan kisaran yang cukup besar dalam faktor-faktor ini,penugasan nilai representatif untuk properti tertentu sering dilakukan dengan menggunakan variasi statistik.

Some properties can vary considerably, depending on whether measured in situ (in place in the subsurface) or in the laboratory under simulated conditions. Electrical resistivity, for example, is highly dependent on the fluid content of the rock in situ and the temperature condition at the particular depth.

Density

Density varies significantly among different rock types because of differences in mineralogy and porosity. Knowledge of the distribution of underground rock densities can assist in interpreting subsurface geologic structure and rock type.

In strict usage, density is defined as the mass of a substance per unit volume; however, in common usage, it is taken to be the weight in air of a unit volume of a sample at a specific temperature. Weight is the force that gravitation exerts on a body (and thus varies with location), whereas mass (a measure of the matter in a body) is a fundamental property and is constant regardless of location. In routine density measurements of rocks, the sample weights are considered to be equivalent to their masses, because the discrepancy between weight and mass would result in less error on the computed density than the experimental errors introduced in the measurement of volume. Thus, density is often determined using weight rather than mass. Density should properly be reported in kilograms per cubic metre (kg/m³), but is still often given in grams per cubic centimetre (g/cm³).

Another property closely related to density is specific gravity. It is defined, as noted above, as the ratio of the weight or mass in air of a unit volume of material at a stated temperature to the weight or mass in air of a unit volume of distilled water at the same temperature. Specific gravity is dimensionless (i.e., has no units).

The bulk density of a rock is ρ_B = W_G/V_B, where W_G is the weight of grains (sedimentary rocks) or crystals (igneous and metamorphic rocks) and natural cements, if any, and V_B is the total volume of the grains or crystals plus the void (pore) space. The density can be dry if the pore space is empty, or it can be saturated if the pores are filled with fluid (e.g., water), which is more typical of the subsurface (in situ) situation. If there is pore fluid present, where W_fl is the weight of pore fluid. In terms of total porosity, saturated density is

and thus

where ρ_fl is the density of the pore fluid. Density measurements for a given specimen involve the determination of any two of the following quantities: pore volume, bulk volume, or grain volume, along with the weight.

A useful way to assess the density of rocks is to make a histogram plot of the statistical range of a set of data. The representative value and its variation can be expressed as follows: (1) mean, the average value, (2) mode, the most common value (i.e., the peak of the distribution curve), (3) median, the value of the middle sample of the data set (i.e., the value at which half of the samples are below and half are above), and (4) standard deviation, a statistical measure of the spread of the data (plus and minus one standard deviation from the mean value includes about two-thirds of the data).

Kompilasi kepadatan curah kering untuk berbagai jenis batuan yang ditemukan di lapisan atas Bumi tercantum dalam Tabel. Plot histogram dari data ini, memberikan persen sampel sebagai fungsi kerapatan ditunjukkan pada Gambar 3. Parameter yang diberikan meliputi (1) pembagian sampel, rentang kerapatan dalam satu kolom data — misalnya, 0,036 g / cm ³ untuk Gambar 3, (2) jumlah sampel, dan (3) standar deviasi. Plot inset kecil adalah persentase sampel (pada sumbu vertikal) yang berada dalam interval "mode - x" ke "mode + x," di mana x adalah sumbu horizontal.

Kepadatan curah kering untuk berbagai jenis batuan

jenis batu	jumlah sampel	berarti (gram per cm kubik)	standar deviasi	mode (gram per cm3)	median (gram per cm kubik)
Source: After data from H.S. Washington (1917) and R.J. Piersol, L.E. Workman, and M.C. Watson (1940) as compiled by Gary R. Olhoeft and Gordon R. Johnson in Robert S. Carmichael (ed.), Handbook of Physical Properties of Rocks, vol. III, CRC Press, Inc. (1984).
all rocks	1,647	2.73	0.26	2.65	2.86
andesite	197	2.65	0.13	2.58	2.66
basalt	323	2.74	0.47	2.88	2.87
diorite	68	2.86	0.12	2.89	2.87
dolerite (diabase)	224	2.89	0.13	2.96	2.90
gabbro	98	2.95	0.14	2.99	2.97
granite	334	2.66	0.06	2.66	2.66
quartz porphyry	76	2.62	0.06	2.60	2.62
rhyolite	94	2.51	0.13	2.60	2.49
syenite	93	2.70	0.10	2.67	2.68
trachyte	71	2.57	0.10	2.62	2.57
sandstone	107	2.22	0.23	2.22	2.22

In Figure 3, the most common (modal) value of the distribution falls at 2.63 g/cm³, roughly the density of quartz, an abundant rock-forming mineral. Few density values for these upper crustal rocks lie above 3.3 g/cm³. A few fall well below the mode, even occasionally under 1 g/cm³. The reason for this is shown in Figure 4, which illustrates the density distributions for granite, basalt, and sandstone. Granite is an intrusive igneous rock with low porosity and a well-defined chemical (mineral) composition; its range of densities is narrow. Basalt is, in most cases, an extrusive igneous rock that can exhibit a large variation in porosity (because entrained gases leave voids called vesicles), and thus some highly porous samples can have low densities. Sandstone is a clastic sedimentary rock that can have a wide range of porosities depending on the degree of sorting, compaction, packing arrangement of grains, and cementation. The bulk density varies accordingly.

Plot distribusi lainnya dari kepadatan curah kering diberikan pada Gambar 5 dan 6, dengan pembagian sampel 0,036 g / cm ³ untuk Gambar 5 dan 6A dan 0,828 persen untuk Gambar 6B. Tabel ini mencantumkan rentang kerapatan curah kering tipikal untuk berbagai jenis batuan lain yang disiapkan oleh ahli geologi Amerika Gordon R. Johnson dan Gary R. Olhoeft.

Kisaran kepadatan tipikal untuk beberapa jenis batuan lainnya

jenis batu	kepadatan (gram per cm kubik)
Sumber: Setelah data dari RA Daly, GE Manger, dan SP Clark, Jr. (1966); AF Birch (1966); F. Tekan (1966); dan RN Schock, BP Bonner, dan H. Louis (1974) dalam Robert S. Carmichael (ed.), Buku Pegangan Sifat Fisik Batu, vol. III, CRC Press, Inc. (1984).
amphibolit	2.79–3.14
gelas andesit	2.40–2.57
anhidrit	2.82–2.93
anorthosite	2.64–2.92
gelas basal	2.70–2.85
kapur	2.23
dolomit	2.72–2.84
dunite	2.98–3.76
eclogite	3.32–3.45
gneiss	2.59–2.84
granodiorite	2.67–2.78
limestone	1.55–2.75
marble	2.67–2.75
norite	2.72–3.02
peridotite	3.15–3.28
quartzite	2.65
rock salt	2.10–2.20
schist	2.73–3.19
shale	2.06–2.67
slate	2.72–2.84

The density of clastic sedimentary rocks increases as the rocks are progressively buried. This is because of the increase of overburden pressure, which causes compaction, and the progressive cementation with age. Both compaction and cementation decrease the porosity.

Representative densities for common rock-forming minerals (i.e., ρ_G) and rocks (i.e., ρ_B) are listed inthe

Meja. Kepadatan massal untuk batuan sedimen, yang biasanya memiliki variabel porositas, diberikan sebagai rentang baik kering ρ _B dan (air-) jenuh ρ _B. Cairan yang mengisi pori biasanya adalah air asin, seringkali mengindikasikan keberadaan air laut ketika batu itu diendapkan atau diuapkan. Perlu dicatat bahwa kerapatan curah kurang dari kerapatan butir mineral penyusunnya (atau kumpulan mineral), tergantung pada porositasnya. Misalnya, batu pasir (khas quartzose) memiliki kepadatan khas dry bulk dari 2,0-2,6 g / cm ³, dengan porositas yang dapat bervariasi dari rendah ke lebih dari 30 persen. Kepadatan kuarsa itu sendiri 2.65 g / cm ³. Jika porositasnya nol, kerapatan curah akan sama dengan kerapatan butir.

Saturated bulk density is higher than dry bulk density, owing to the added presence of pore-filling fluid.The Table also lists representative values for density of seawater, oil, and methane gas at a subsurface condition—pressure of 200 bars (one bar = 0.987 atmosphere, or 29.53 inches of mercury) and a temperature of about 80° C (176° F).