Гриффитс Дж. Научные методы исследования осадочных пород

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 1

3.4. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ

И ПРОИЗВОДНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Предыдущий анализ приводит к следующему общему заключению:

чтобы оценить обобщенный показатель, который составляет однозначную

характеристику породы, нужно измерить каждую из пяти переменных

и взаимно их увязать. Такая цель редко ставится (см., однако, работы [177

и 180]), но в статистике имеется соответствующая методика, и ею часто поль-

зуются в генетике и психологии.

Взаимозависимость пяти основных свойств играет важную роль также

и при более полном исследовании свойств осадочных пород. Так, пористость

является функцией этих пяти свойств, и оценить «абсолютную пористость»

можно с помощью уравнения (3.1), рассматривая показатель P как меру

пористости. Тогда пористость, или объем пор, можно определить как

P = f(m,s,sh,o,p). (3.7)

При обычных измерениях пористости принимается, что жидкость,

заполняющая поры, не взаимодействует с другими компонентами породы;

эта точка зрения была бы правильной, если можно было бы полностью

исключить пустоты. Но в большинстве случаев при изучении пористости

в поры вводкт некоторое количество жидкости. Таким образом, возникает

какое-то взаимодействие между жидкостью и компонентами породы. Одна

из причин использования газов при определении пористости заключается

в их очень слабом взаимодействии с породой. Показатель пористости, изме-

ренный с помощью заполнения газами, позволяет упростить последующие

расчеты и манипуляции с ними. Следует отчетливо представлять, что, опре-

деляя пористость породы по отношению к воде, необходимо учитывать рас-

смотренные взаимодействия. Определяя коллекторские свойства породы

путем использования жидкостей, которые предположительно не взаимодей-

ствуют с породой, мы получим результат, несопоставимый с другими резуль-

татами, выведенными из опыта с взаимодействующей жидкостью. Здесь

вновь показано, насколько важна и плодотворна концепция взаимозави-

симости связанных друг с другом переменных. Показатель пористости

можно представить как

= f (г, I), (3.8)

где P

— показатель пористости, г — порода, I — жидкость. Нельзя оце-

нивать г

I отдельно, так как если две переменных независимы (как мы пред-

полагаем в данном случае), они не будут взаимодействовать одна с другой.

Различие между свойствами коллектора-резервуара, замеряемыми в поле

и в лаборатории, можно объяснить в основном отсутствием взаимодействия

в экспериментальных условиях и его наличием в природе.

Подобным же образом можно достигнуть лишь частичного успеха, если

мы попытаемся ввести поправочный коэффициент для г, конечно, если этот

коэффициент не учитывает взаимозависимости всех пяти переменных. Эмпи-

рически вычисленный поправочный коэффициент можно использовать только

в том случае}- если в значениях пяти переменных, входящих в г и соответ-

ственно в поправочный коэффициент, обнаружены ограниченные изменения.

Другими словами, эмпирически полученные поправочные коэффициенты

будут действенны только в тех пределах изменений переменных, которые

наблюдались в данном эксперименте, т. е. этот коэффициент можно исполь-

зовать лишь для единого однородного множества пород.

Объемная плотность является функцией плотности расположения зерен

и пористости. Это несколько более сложная переменная, чем пористость.

Плотность расположения зерен часто принимается в виде линейной функции

плотности компонентов породы — минералов. Но, как следует из вышеска-

занного^ плотность расположения зерен породы есть функция пяти пере-

СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

менных η маловероятно, чтобы эта функция была линейной (исключая неко-

торые очень ограниченные условия). Действительно, любое измерение, кото-

рое основано на линейных (или, как иногда называют, аддитивных) взаимо-

отношениях компонентов, должно восприниматься весьма критически, если,

конечно, линейная зависимость не устанавливается адекватными экспери-

ментами.

Проницаемость — это вектор, или направленное свойство горных пород

относительно жидкостей. Его можно считать динамическим выражением

пористости. Почти во всех экспериментальных определениях проницаемости

уравнения, оценивающие скорость потока, содержат постоянную величину,

которая по существу является поправочным коэффициентом. Считается,

что этот коэффициент вводится на разнообразие свойств горных пород [305,

330]. Совершенно очевидно, что постоянная величина, которая охватывает

изменения пяти взаимозависимых переменных плюс взаимоотношения между

этими пятью и жидкостью, используемой для измерения скорости потока,—

это нечто похожее на чудо. Различия между лабораторными измерениями

проницаемости и поведением коллекторов в ,естественных условиях будут

оставаться до тех пор, пока существует упрощение сложных природных

зависимостей. Несомненно, что экспериментальные определения проницае-

мости в условиях, напоминающих естественные, чрезвычайно трудно осу-

ществимы, и вероятно, они могут быть осуществлены лишь путем последова-

тельных приближений. Но альтернатива принять большой разрыв в значе-

ниях изменений в равной степени неудовлетворительна.

Анализируя осадочные породы в данном аспекте, необходимо оценить

изменения пяти основных свойств: состава, размеров и формы зерен, ориен-

тировки, плотности заполнения зернами пространства и, кроме того

и насколько это возможно, надо еще выяснить функциональные взаимоотно-

шения между этими переменными. В результате окончательного анализа

различные характеристики пород могут быть выражены в виде некоторого

показателя, представляющего собой сложную функцию пяти взаимозави-

симых переменных.

Измерения более сложных свойств можно выполнить, только если

мы отнесем их к тем же пяти переменным с одновременным учетом других

взаимодействующих переменных, введенных в данный эксперимент. Здесь

уместно подчеркнуть, что любой поправочный коэффициент, вводимый для

пяти или более взаимодействующих переменных в экспериментальном ана-

лизе, может иметь лишь ограниченную область применения, и пределы,

в которых коэффициент эффективен, будут определяться амплитудой изме-

нений одних или всех переменных, предположительно обусловливающих

введение поправочного коэффициента. Любой поправочный коэффициент,

установленный в основном с помощью «рационального анализа» и допускаю-

щий линейную зависимость без подтверждения ее экспериментами, вероятно,

следует считать скорее ошибочным, чем правильным.

Совершенно очевидно, что изучение таких природных систем, как гор-

ные породы, должно включать все необходимые переменные. Нельзя недо-

оценивать или упрощать сложные взаимоотношения между этими перемен-

ными. Лишь при соблюдении этих условий изучение будет эффективным

и будет иметь определенный смысл. Экспериментальные работы, с помощью

которых достигается поставленная цель, являются необходимой составной

частью научного подхода. Следовательно, необходимо его знать с тем, чтобы

можно было получить имеющие смысл ответы на вопросы, касающиеся

природных систем. Взаимодействующие переменные, которыми характе-

ризуются взаимозависимые соотношения, могут быть выражены количе-

ственно и рассчитаны в результате экспериментов. Лишь эксперименты

позволяют оценить как относительное значение взаимодействия перемен-

ных, так и значение основных эффектов или самих основных переменных.

43 ГЛАВА 1

Гранулометрический анализ

Операции, с помощью которых измеряется длина, должны быть опре-

делены однозначно. При нескольких сериях операций соответственно есть

и несколько концепций. Каждая серия операций должна иметь какое-то

строго определенное название.

P. W. Bridgman, The Logic of Modern Physics, The Mac-

millan Co., p. 10, 1946

4.1. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

После того как принимают решение, какие свойства подлежат изуче-

нию, обычно намечают определенные технические и методические приемы,

представляющиеся наиболее подходящими, и затем приступают к измерениям.

Такая практика в большинстве случаев приводит к получению множества

данных, которые трудно интерпретировать или их вообще не интерпрети-

руют. На этой стадии экспериментального анализа чрезвычайно важно

знать, что после выбора изучаемых свойств нужно принять еще ряд реше-

ний, прежде чем намечать приемы, с помощью которых будут производиться

измерения. Прежде всего следует рассмотреть концептуально данное свой-

ство. Так, размеры и форма зерен связаны с объемными категориями, и если

эти два свойства измеряются независимо одно от другого, то при попытке

осмыслить полученные данные возникнут значительные затруднения. Как

уже упоминалось выше (стр. 41), знание размера без знания формы (и наобо-

рот), теоретически рассуждая, имеет мало смысла.

Концептуально имеется какое-то интуитивное представление о том, что

размер зерна относится к степени его крупности. Но еще не было дано

(и не может быть дано) четко выраженного определения размера без срав-

нения с каким-либо условным стандартом. Например, зерна кварца малы

по сравнению со стульями и столами, но они велики относительно атомов

и молекул. Что в таком случае подразумевается под размерами? Единствен-

ный ответ, который можно дать на этот вопрос,— размер определяется

масштабом, а пределы самого масштаба — от вселенной до частицы атома.

При определении размера объема выбирается линейный масштаб. Амплитуда

изменений размеров составных частей осадочных пород находится в преде-

лах от долей микрона до какого-то числа метров, т. е. превышение состав-

ляет более чем 1 : 10

. Под размером составной части, или зерна осадочной

породы, понимается положение, или цифровая отметка, на этой числовой

шкале. Но как мы узнаем это положение, или это число? Здесь мы переходим

от концептуальных определений свойств размера к операционному опре-

делению каких-то действий, которые приведут нас к искомой величине

на выбранной числовой шкале (табл. 4.1, верхняя часть).

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Таблица 4.1

Задача измерения свойств

Систематическое смеще-

ние

Последовательность дей-

ствий

Концепция

Концептуальное определение

Операционное определение

Процедура

Техника

Первоначальные измерения

Выбор техники измерений

Точность и осмысливание

измерений

Результаты измерения

Техника

Процедура

Операционное определение

Концептуальное определение

Концепция

}

Суждение о точности

и смысле полученных

данных

Стоит лишь приступить к указанным действиям, как становится очевид-

ным, что имеется множество способов узнать некое число на шкале и что

разные способы могут привести к разным числам. Возникает вопрос — на чем

основан выбор процедуры измерений? Наиболее справедливым ответом нуж-

но считать, что ни один способ не лучше других. Чтобы выбрать тот или иной

способ, ту или иную процедуру, необходимо что-то «знать» об измеряемом

свойстве, а единственный способ узнать это состоит в проведении экспери-

ментов (измерений). В простейшем случае начальных намерений наилучшая

процедура та, при которой можно получить наиболее точные результаты.

Тогда наилучшую процедуру можно определить операционно с помощью

наилучшей оценки среднего значения, величины разброса значений около

среднего в виде стандартного отклонения. Здесь мы вновь встречаемся

с двумя концепциями — систематическими отклонениями и разбросом

отдельных значений и снова видим, что довольно просто уменьшить систе-

матическое отклонение при строгом операционном определении этого поня-

тия. Рассеяние остается еще трудной для определения концепцией, и един-

ственный способ, с помощью которого можно разрешить дилемму,— это

следовать рекомендациям, предложенным выше, т. е. использовать несколь-

ко различных процедур. Каждая процедура дает некоторое наиболее вероят-

ное значение и отличается определенной степенью точности. Если, усовер-

шенствуя процедуры и увеличивая их точность, мы обнаружим, что полу-

чаемые наиболее вероятные значения ложатся на асимптотическую кри-

вую (фиг. 1.2), можно предполагать, что при этом уменьшаются и систе-

матические отклонения и разброс результатов измерений.

На практике используются эти две основные характеристики экспери-

ментов и измерений, что и помогает нам получать необходимую информацию.

Сначала мы пользуемся понятием точности, считая, что из двух способов,

направленных на решение одной и той же цели, предпочтительнее тот, кото-

рый обеспечивает более высокую точность. Естественно, что цель исследо-

ваний следует определить еще до оценки разных способов и процедур, направ-

ленных на достижение этой цели.

•|После того как уже выбрано какое-то свойство для изучения, необхо-

димо сформулировать его концептуальное определение и выбрать систему

технических операций, с помощью которых наилучшим образом выпол-

няется операционное определение. Затем, при анализе результатов экспе-

римента, делают обратную попытку — переходят от операционных опре-

делений к концептуальным (табл. 4.1). Выше упоминалось, что выбор тех-

нических приемов и процедур определяется величиной систематических

отклонений, приемы же, выбранные окончательно, являются наиболее

осмысленными или такими, при которых обеспечен простейший путь от опе-

рации к концепции. Иными словами, желательно найти такую технику

ГЛАВА 1

эксперимента, которая обладала бы уже известной точностью и обеспечи-

вала бы возможность осмысленных измерений. Следует заметить, что слово

«осмысленный» нельзя здесь считать достаточно определенным, и до тех

пор, пока мы не решим, что под ним подразумевается, эксперименты будут

оставаться неудовлетворительными. Но как только мы определим цель,

это слово становится эквивалентом точности (разброса) измерений, что

и поможет выбрать наиболее эффективную процедуру.

Итак, мы начали с концепции, затем свели ее до операции, которая

приносит информацию в виде измеренных значений с заданной точностью,

подобрали технические приемы, которые наилучшим способом отвечают

требованиям операционного определения и отличаются наименьшими систе-

матическими отклонениями, потом данные, полученные с помощью этих

приемов, свели к операционному определению, а последнее сформулиро-

вали в виде концепции. Если эксперимент был успешным, полученные

данные будут иметь определенный смысл относительно данной концеп-

ции, приведут к большей точности и приблизят к истинному значению

с помощью последовательных аппроксимаций. В табл. 4.1 последовательно

перечислены все эти этапы, приводящие к осмысленным измерениям.

4.2. ПОНЯТИЕ РАЗМЕРА И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ

Понятие размера связано с объемом, и, чтобы представить содержание

этого понятия, придется вспомнить сначала некоторые правильные тела,

объем которых определяется довольно просто. Так, для куба или шара

объем равен третьей степени длины какой-то линии, однозначно выражаю-

щей форму данного правильного тела. Для куба это будет третья степень

его ребра, а для шара — его радиуса, умноженного на некоторую постоян-

ную величину ^ π^ . В менее правильных телах, например в прямоугольном

параллелепипеде, объем определяется произведением размеров трех его

неравных между собой граней. В случае еще менее правильных тел для

получения удовлетворительного значения объема необходимо выполнить

еще большее число измерений. Для тела неправильной формы, каким

является зерно кварца в осадочной породе, необходимо выполнить η изме-

рений, чтобы получить полные данные об объеме [181].

Зная объем, можно получить размер тела в плоскости, измерив какую-то

характерную ось, лежащую в этой плоскости. Разные тела можно сравни-

вать по величине осей. При выборе характерной оси правильных тел (куба

или шара) не возникает никаких трудностей. Но при выборе оси для тела

октаэдрической формы приходится допускать некоторую условность, при-

чем степень этой условности будет увеличиваться по мере перехода к телам

с более неправильной формой. Тем не менее размер зерен можно определить

путем выбора одних и тех же осей и сравнения их в каком-либо масштабе.

В этом случае мы получим меру длины некоторых однозначно определен-

ных осей.

Другой способ, часто применяемый на практике, состоит в непосред-

ственном определении объема тела по количеству вытесняемой им жидкости.

При этом способе мы получаем какое-то другое представление о размере,

тела. Так, можно измерить объем тела неправильной формы, поместив его

в воду и затем высчитать величину ребра куба или радиуса шара, равно-

великих по объему с объемом измеряемого тела, т. е. эта операция сводится

к сравнительному измерению размера тела. Такая процедура применима

к любым телам, объем которых можно определить, поместив их в жид-

кость.

Мы можем пользоваться и еще какими-то другими косвенными спосо-

бами, например измерять некоторые свойства, обусловленные размерами,

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

и сравнивать затем результаты измерений. Примером таких способов могут

служить определения скорости осаждения частиц в воде и метод просеи-

вания.

При более сложных экспериментах получаются такие результаты,

по которым трудно судить о самом размере. Сложная измерительная техника

позволяет получать сравнимые результаты, но от них уже нельзя перейти

к понятию размера или к другой первичной концепции. Поэтому нужно

вначале решить, является ли предметом эксперимента сама концепция или

цель его состоит в том, чтобы найти Ъакие-то различия, не всегда поддаю-

щиеся интерпретации. Вторая цель гораздо легче достижима, но результаты

соответствующего эксперимента значительно труднее осмысливать.

4.3. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРЕН ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Размеры зерен осадочных пород определяются для того, чтобы понять

процессы, приводящие к образованию этих пород. Подобные попытки рекон-

струировать условия образования осадков путем измерения размеров час-

тиц, их составляющих, предпринимаются довольно часто. Определения

проводят в основном косвенными методами, так как размеры неправильных

по форме частиц практически трудно измерить непосредственно. В большин-

стве случаев при этих попытках изучают поведение частиц в условиях,

предположительно сходных с природными. В основе многих применяю-

щихся сейчас процедур лежит осаждение зерен кварца в воде или воздухе.

Разработана методика измерения скорости осаждения частиц и посредством

какой-либо модели, например закона Стокса, переводят значение этой ско-

рости в величину зерен. Подобные процедуры обычно состоят из двух стадий:

1) образец породы (или совокупность) дезинтегрируют на составляющие ком-

поненты (или элементы) и 2) полученные таким образом частицы (элементы)

измеряют. Рекомендуем рассматривать обе эти стадии независимо, хотя

в данных измерений зерен содержится суммарный эффект обеих стадий

и одна из них редко оценивается независимо от другой.

4.4. ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ ПОРОДЫ НА ЕЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

Степень консолидации осадочных пород различна. Несцементирован-

ные пески и глины отличаются от слабо сцементированных материалов,

которые в свою очередь отличны от плотных и крепких песчаников, сланцев,

алевролитов. В соответствии с этим существ уют различные способы дезин-

теграции пород. При поиске подходящей для данных пород процедуры

дезинтеграции следует иметь в виду следующее.

Во-первых, надо иметь в виду, что основная цель анализа состоит

в определении размера зерен, из которых состоит порода, для момента ее фор-

мирования с учетом способа ее формирования. Эта цель редко достигается.

Многие исследователи были бы рады, если бы они достигли более ограни-

ченной цели, т. е. смогли бы измерить размер зерен в том виде, в каком

эти последние слагали породу. К сожалению, даже этой цели также трудно

достигнуть, так как в измерении размера зерен в той или иной степени

заключен эффект способа, который был использован для дезинтеграции

породы на составные части. Еще более ограниченная цель, которая обычно

и достигается, состоит в измерении зерен, или элементов, как функции,

зависящей от взаимодействия методики дезинтеграции и специфики самой

породы. Попытки интерпретировать получаемые при этом результаты в каче-

стве относящихся к размеру зерен обычно оказываются бесплодными. Тем

не менее, если задача состоит лишь в сравнении двух образцов или серий

образцов друг с другом без попытки объяснить выявившиеся различия, эта

процедура вполне приемлема.

ГЛАВА 1

Во-вторых, чтобы принятый способ дезинтеграции был эффективным,

он должен строго соответствовать составу и структуре анализируемой

породы. Конечно, не существует каких-либо проблем дезинтеграции рыхлых

или полуконсолидированных пород. Полной дезинтеграции, в процессе

которой не нарушился бы размер отдельных частиц, можно достигнуть

очень просто. Чем выше степень консолидации, тем грубее способы обра-

ботки пород, которые сведены в следующую схему

1. Растирание пальцами.

2. Легкое растирание в воде (если необходимо, то в теплой).

3. Продолжительное встряхивание в сосуде с водой (с кипячением или без кипя-

чения).

4. Легкое растирание пестом с резиновым наконечником в фарфоровой ступке.

5. Дробление в металлической ступке металлическим пестом.

Эти способы представляют различные физические процедуры дезинте-

грации пород, причем при более грубых способах увеличивается вероятность

нарушения первоначальных размеров частиц. Поэтому нужно всегда ста-

раться использовать наименее грубый способ, достаточный для дезинтегра-

ции данной породы.

Естественно, что консолидированные породы гораздо труднее дезинте-

грировать без риска изменить размер их частиц.· Тип консолидации зависит

от двух групп основных компонентов, присутствующих в осадочных поро-

дах, и, к сожалению, влияние обоих этих компонентов обычно выражается

лишь в суммарном эффекте.

Одна группа компонентов представлена цементом, дезинтеграция кото-

рого обычно производится путем либо растворения, либо механического

разрушения. Очевидно, что растворившиеся компоненты цемента уже

не будут влиять на последующие измерения размеров цементируемых частиц.

Но следует также помнить, что цемент, обычно состоящий из кристаллов,

в период формирования породы был в каком-то другом состоянии. Следова-

тельно, если нужно определить размер зерен в момент их осаждения,

то цементом можно пренебречь, и его разрушение никоим образом не ослож-

нит решение поставленного вопроса. Но, если нужно узнать размер зерен

для настоящего момента, необходимо учесть некоторые данные о количестве

и способе распределения цемента. В этом случае разрушать и удалять цемент

нельзя.

Для цемента осадочных пород характерен различный его состав. Наи-

более обычен карбонатный и кремнистый цемент. Довольно часто в роли

цемента могут выступать сульфиды, например пирит или пирротин. Не менее

обычным цементом являются сульфаты, а также фосфатные или органические

вещества. Все эти типы цемента обычно удаляются с помощью растворения.

Карбонаты почти всегда растворяются в слабых кислотах, доломит (сложный

карбонат магния и кальция) довольно полно растворяется в теплом слабом

растворе соляной кислоты. Иногда используют более слабые кислоты, напри-

мер слабый раствор щавелевой кислоты. Такие растворители применяются

в том случае, если предполагается, что в составе обломочного материала

имеются остатки диатомовых водорослей, радиолярий и кремнистых фора-

минифер, которые можно разрушить более сильными растворителями.

В большинстве разновидностей граувакковых пород и, вероятно, во мно-

гих других породах цементом служит сложный карбонат типа анкерита.

В составе его имеются ионы кальция, магния, железа, марганца и, вероятно,

других металлов. Наиболее подходящими растворителями для таких пород

будет теплый раствор щавелевой кислоты, который отвечает двум требова-

ниям: растворяя карбонат, он одновременно переводит железо в раствори-

Детально эти способы описаны во многих руководствах по осадочным породам;

см., например, работы [249] и [300].

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

мую закисиую форму. Многие очень крепкие горные породы, сцементирован-

ные сложным карбонатом, растворяются только так.

Сульфиды, обычно представленные пиритом, разрушаются в теплом

растворе азотной кислоты, пирротин можно удалить раствором соляной

кислоты; сульфаты кальция растворяются в соляной кислоте, гипс —

в теплом концентрированном, а ангидрит — в слабом растворе, для суль-

фата бария (барит) требуется горячий концентрированный раствор серной

кислоты, а для фосфатов — подогретый раствор азотной кислоты; цемент,

состоящий из органического материала, можно удалить четыреххлористым

углеродом, ацетоном или спиртом.

Цемент, наиболее неблагоприятный для обработки, конечно, кремни-

стый; по всей вероятности, он присутствует в небольших количествах в боль-

шинстве разновидностей консолидированных пород. Для растворения крем-

нистого цемента иногда рекомендуются горячие сильные кислоты. Но эти

реагенты почти наверняка будут воздействовать и на зерна обломочного

материала породы, вследствие чего этими кислотами следует пользоваться

только в качестве последнего средства. Существуют различные способы

дезинтеграции стойких пород с помощью насыщения их жидкостями и после-

дующей кристаллизации этих жидкостей, но они не дают нужного эффекта.

По другим способам породы насыщают водой, затем замораживают и оттаи-

вают. При некоторых способах предусмотрено насыщение пород раствором

либо гипосульфита натрия плюс последующая кристаллизация, либо бикар-

боната кальция с добавлением слабого раствора кислоты, предназначенного

для разрушения породы.

Вторая группа цементирующих компонентов, обычная для аркозовых

и граувакковых

песчаников, в основном представляет собой мелкозерни-

стый агрегат таких минералов, как кварц, слюда, хлорит и минералы из

группы глин — в основном каолин, иллит и монтмориллонитоиды. Этот

агрегат называется матрицей породы. Обычными компонентами матрицы

являются также гидроокислы алюминия и железа. Разработана серия мето-

дов для разрушения пород с различными минеральным составом матрицы.

При попытке дезинтегрировать такие породы мы сталкиваемся с теми же

трудностями, которые возникают при разложении глин или илов на их

составные компоненты. Совершенно очевидно, что в таком случае измерен-

ная величина частиц будет функцией способа дезинтеграции, а характер

распределения частиц в более мелкозернистых осадках, получаемый в резуль-

тате эксперимента, в действительности окажется мерой эффективности спо-

соба дезинтеграции.

Таким образом, необходимость дезинтеграции матрицы мелкозерни-

стых осадочных пород представляет собой серьезное препятствие для пол-

ного анализа распределения зерен разного размера. В данном случае нашей

целью должно быть уже не определение размеров зерен в период их осажде-

ния и обычно даже не определение размеров зерен в современной породе,

а нечто другое. Тем не менее часто бывает необходимо дезинтегрировать

как матрицу песчаников, так и более мелкозернистые породы. Во-первых,

это нужно для оценки других частиц обломочного материала, а во-вторых,

для разделения породы на фракции в целях последующего минералогиче-

ского анализа. Для этих операций не устанавливается каких-либо специфи-

ческих задач. Нужно иметь в виду лишь два обстоятельства: 1) Необходимо

стандартизировать используемые приемы и сравнивать результаты, напри-

мер, сравнивать скорости осаждения дезинтегрированного материала или

размеры зерен, вычисленные по скоростям осаждения. Любые различия

в результатах анализа трудно интерпретировать однозначно, так как раз-

личия в скорости осаждения могут быть обусловлены или первичными раз-

Вся петрографическая терминология дается по Крынину [270].

4—429

ГЛАВА 1

личиями минерального состава породы, связанными в той или иной степени

с разницей в размере зерен, или различиями в характеристике показателей

химической породы осадка, таких, например, как значение рН, тип основа-

ний или способность к обмену оснований. 2) Пытаясь дезинтегрировать

мелкозернистую породу до такой степени, чтобы можно было высвободить

ее мельчайшие компоненты, приходится пользоваться наиболее эффектив-

ными способами дезинтеграции, т. е. очень грубыми способами обработки

пород. Но в таком случае будет совершенно невозможно, интерпретировать

результаты измерения зерен.

Мы примем два способа: 1) будем обрабатывать матрицу породы так же,

как цемент, но с единственной целью — дезинтегрировать породу, не обра-

щая при этом внимания на то, какой эффект окажет сам процесс разруше-

ния породы на матрицу песчаников или на мелкозернистые осадочные породы;

2) в случае изучения тонкозернистых пород, особенно из группы глин, цель

исследований сведется лишь к сравнению результатов экспериментов с ис-

пользованием строго стандартизированных методов дезинтеграции пород.

Глина, погруженная в воду, распадается на положительно и отрица-

тельно заряженные частички — мицеллы. Реакцию можно изобразить

в таком виде:

H глина ОН ^ H++(глина) OH-

H глина ОН ^ H (глина)++OH-

Любой метод обработки, который будет усиливать процесс ионизации, можно

считать способствующим быстрому и полному разрушению породы. Катионы

являются здесь более важными в объемном отношении, но роль анионов не

вполне ясна.

Было обнаружено, что процесс образования катионов усиливается при

добавлении какой-нибудь натриевой соли. Ионы натрия увеличивают сте-

пень дисперсности значительно сильнее большинства других ионов. В общем

виде это объясняется следующим образом.

При добавлении соли натрия в раствор соответствующей концентрации

глина насыщается едким натром, т. е.

NaOH+H глина ОН ^ Na (глина) ОН+ НОН,

и поэтому она легче ионизируется,"чем та глина, которая помещена в про-

стую воду. В общем при насыщении натрием можно добиться наиболее тон-

кой дисперсности глины по сравнению с другими основаниями

Приведенный пример чрезвычайно сильно упрощен. Было обнаружено,

что NaOH — сильно ионизирующее основание — не самый эффективный

пептизатор; эффект приносит сочетание сильного основания со слабыми

кислотными радикалами. Такое сочетание наиболее благоприятно для ион-

ного обмена. Практически оно достигается использованием карбоната натрия

и оксалата натрия как наилучших пептизаторов для дисперсирования пород.

Вообще растворы с сильным основанием (обычно натрий) и слабой кислотой

(обычно органической) наиболее пригодны для обработки природных гли-

нистых материалов.

Однако это сочетание нельзя считать самым лучшим, так как на прак-

тике, особенно для обработки глинистых буровых растворов, состоящих

из глины и воды, наиболее эффективным оказывается сочетание натриевого

фосфата и натриевого танната. Поэтому в качестве наиболее эффективного

дисперсатора можно рекомендовать раствор, содержащий сильное основа-

Реже применяются анионы лития и хрома, однако для них требуются более точ-

ные концентрации, а соответствующие реакции более трудно контролировать.

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ние, слабую кислоту и крупные кислотные анионы. Причины этого не вполне

ясны, но, по-видимому, они объясняются особенностями катионного и анион-

ного обменов. В некоторых специфических случаях, например при насыще-

нии глин кальцием и магнием, образуются крупные анионы комплексных

солей этих металлов, препятствующих реакции между ионами кальция

и системой вода — глина. Частички глины, насыщенные едким кальцием,

собираются у контакта с водой и такая обработка необходима для достиже-

ния наиболее полной дисперсности материала.

Реагенты, обеспечивающие дисперсность, обычно называются пепти-

заторами, а реагенты, дающие обратные эффекты, или флоккуляцию,—

коагулАторами. Следует помнить, что характер реагента зависит от степени

его концентрации, так как любой пептизатор будет действовать как коагу-

лянт, если достаточно повысить его концентрацию. Практически обычно

получают взвесь глины в воде, в которую затем добавляют пептизатор в опре-

деленном объеме и определенной концентрации. Для более полной взве-

шенности и лучшей дисперсности рекомендуется поместить суспензию

глины в воду, содержащую пептизатор, на механический вибратор, где и дер-

жать ее то или иное время.

При исследованиях величины зерен наиболее часто применяемыми

пептизаторами являются нашатырный спирт и оксалат натрия. Первый из

них умеренно эффективен как пептизатор и легко испаряется при после-

дующем нагревании образца. При использовании второго следует учитывать

вес пептизатора для расчета весовых процентов анализируемого материала

(табл. 4.2).

В заключение следует заметить, что в большинстве случаев консолида-

ция осадочных пород обусловлена несколькими различными факторами.

Почти всегда имеется как цемент, так и основная масса. Небольшая примесь

кремнистого цемента в тонкой глинистой основной массе столь же эффективно

связывает частицы, сколь это достигается большим количеством кремния

в почти чистых кварцевых песчаниках. Вследствие диагенетических изме-

нений, степень которых увеличивается с возрастом породы, а также свя-

занных со складчатостью, происходит перекристаллизация и перераспреде-

ление частиц цемента сложного состава и, возможно, также материала основ-

ной массы. Если точный состав цементирующего материала неизвестен,

нельзя дать какого-либо рецепта для способа дезинтеграции породы. Реко-

мендуем изучить породу в шлифе под микроскопом с целью определения

состава связующего материала, затем в соответствии с) результатами этого

изучения наметить тот или иной способ дезинтеграции.

В случае если факторы, обусловливающие, консолидацию, неизвестны,

приходится действовать только путем подбора способа, но начинать нужно

с наименее грубых и затем переходить к более грубым. Кроме того, следует

по возможности использовать механические способы дезинтеграции, так

как эффект их применения определяется более четко. В большинстве слу-

чаев для дезинтеграции пород древнее мезозойских необходимо последова-

тельно повторять комбинацию механических и химических методов. Часто

довольно значительно консолидированные граувакки и аркозы можно дезин-

тегрировать путем обработки слабым теплым раствором щавелевой кислоты

с последующим легким дроблением.

Следует помнить, что какой бы способ дезинтеграции ни был выбран,

размер зерен, несомненно, будет нарушен. Возможное решение проблемы

сводится, вероятно, к проведению специальных экспериментов с целью

определения эффекта каждого из йетодов дезинтеграции. Такой подход

к решению ее представляется, безусловно, плодотворным, но подобные

попытки пока остаются еще очень редкими (см. гл. 19). Геологов более при-

влекает, вероятно, измерение зерен в шлифах, что и можно делать, но в тех

случаях, когда порода не поддается дезинтеграции. В некоторых случаях,

4*=