Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНЫЕ - СИТОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ -

МЕТОДЫ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Естественно, что для разных пород применяются

различные методы гранулометрического анализа. Разделение

на фракции грубообломочных пород — галечников, конгло-

мератов, брекчий и т.д., если они достаточно рыхлые — про-

изводят с помощью разнообразных грохотов. При анализе

гравийных и песчаных пород, а иногда и крупнозернистых

алевритов, используется разделение на ситах; алевриты де-

лятся обычно гидравлическими методами; специальные гид-

равлические методы используются при анализе глин. Все эти

методы применимы только к осадкам и рыхлым породам или

породам, которые тем или иным образом можно дезинтегри-

ровать, т.е. разделить на отдельные слагающие породу об-

ломки, причем без разрушения формы и размера самих об-

ломков.

Дезинтеграция включает в себя не только разделение по-

роды на составляющие ее обломочные частицы, но и удале-

ние аутигенных компонентов, которые, естественно, не от-

ражают особенностей первичной структуры осадка, обуслов-

ленной обстановками его накопления (рельефом и удаленно-

стью областей питания, гидродинамикой области седимента-

ции и т.д.). Выбор методов и реактивов для подобной работы

определяется составом аутигенных компонентов.

Наиболее распространенные карбонатные цементы и во-

обще аутигенные карбонатные минералы удаляются обработ-

кой 5—10%-ной соляной кислотой — без подогрева в случае

наличия кальцита и с нагреванием на водяной или песчаной

бане при наличии доломита или железистых карбонатов (типа

сидерита, анкерита и т.д.). Гидроксиды железа, присутствую-

щие в породах в виде цемента или железистых рубашек на

поверхности зерен, растворяются при кипячении в

—20%-

ной соляной кислоте. Для удаления кремнистых цементов

используется кипячение в 5—10%-ном растворе щелочей

(КОН или NaOH), сульфидов железа — кипячение в 10%-ном

растворе азотной кислоты. Растворение гипса, а также дезин-

теграция пород с глинистым цементом осуществляется кипя-

чением в дистиллированной воде.

К сожалению, при химической обработке породы часто не

удается сохранить легко растворимые аллотигенные компо-

ненты — полностью или частично растворяются сложенный

карбонатными минералами органогенный детрит, глауконит,

фосфаты, апатит, обломки эффузивов и выветрелых зерен,

180

глинистые минералы. Поэтому перед выбором метода дезин-

теграции порода внимательно изучается, в том числе и в

шлифе под микроскопом, и с учетом наличия в ней тех или

иных компонентов выбирается оптимальный «щадящий» ме-

тод обработки.

Для плотно сцементированных пород, где подобная дезин-

теграция невозможна — для песчаников, алевролитов, иногда

гравелитов, — используют специальные методики подсчета

размеров зерен в шлифах под микроскопом, что подробно

рассмотрено далее, а для более грубозернистых пород — за-

мер размеров галек в поле («Методы изучения...», 1957, т. 1,

с.

—83; «Справочное руководство...», 1958, Рухин, 1969 и др.).

Выполнение гранулометрического анализа лабораторными

методами анализа требует определенного лабораторного обо-

рудования, реактивов и в самом общем виде состоит из двух

последовательных операций — дезинтегрирования сцементи-

рованной породы (для рыхлых пород отсутствует) и разделе-

ния нерастворимого обломочного материала на фракции.

Последняя операция, как указывалось выше, осуществляется

двумя способами — рассеиванием на ситах зерен более

0,1 мм, т.е. песчаной и гравийной (ситовой анализ), и

гидравлическим методом для более мелких частиц.

Дело в том, что обломки размером более 0,1 мм легко рас-

сеиваются на ситах, а разделение зерен размером менее

ОД мм на отдельные фракции с помощью сит практически

невозможно. Во-первых, изготовление сит с мелкими ячейка-

ми, размеры которых в процессе работы оставались бы

постоянными, технически сложно, и, во-вторых, такие сита

быстро забиваются частицами рассеиваемого материала и

выходят из строя. В-третьих, что более важно, очень велики

потери зерен в ситах и само рассеяние никогда не бывает

полным.

Поэтому разделение пелитовых и алевритовых зерен осу-

ществляют обычно гидравлическим методом (методом отму-

чивания). Его применение основано на разной скорости оса-

ждения в спокойной воде частиц различной «гидравлической

крупности», зависящей от их размера, плотности, морфоло-

гии и других свойств.

Скорость падения частиц в спокойной воде описывается

формулой Стокса:

V = 2 SY

-Y

где V

—

скорость падения частиц в жидкости, см/с; д

—

уско-

181

Таблица 4.2

Диаметр

Хазан

U =

Ломтадзе

(f =

°С)

Кэн (t =

σ = 2,7 г/см

)

частиц, мм

Скорость осаждения, мм/с

Время осаждения

при пути 10 см

0,05

0,01

2,9

0,154

2,041

0,083

2,0

0,081

50,0 с

20 мин 30 с

рение свободного падения, равное 981 см/с; г

—

радиус шаро-

образной частицы, см; γι — плотность падающей частицы,

г/см

; Υ2 — плотность жидкости, в которой идет разделение,

г/см

; μ — вязкость жидкости, в пуазах (1 Π = 0,1 Па с в сис-

теме СИ).

Формула Стокса применима к частицам от десятых долей

миллиметра до 0,005 мм, имеющим шаровидную форму, и для

большого объема жидкости, где нет соударения частиц. По-

скольку в реальной породе зерна не шаровидные, присутст-

вуют различные минералы, имеющие неодинаковую плот-

ность и разную морфологию частиц, и к тому же в зависимо-

сти от температуры меняется вязкость жидкости, строгий

расчет скорости осаждения зерен по этой формуле затруд-

нен.

Некоторые результаты расчетных и экспериментальных

данных по материалам разных авторов приведены в табл. 4.2.

Учитывая, что для большинства породообразующих мине-

ралов их плотность и форма зерен сравнительно близки, ос-

новным фактором, определяющим скорость осаждения, явля-

ется размер частиц. Однако чистоту и время разделения зе-

рен различного размера необходимо периодически прове-

рять, отбирая пробы и замеряя величину частиц под микро-

скопом.

В общем виде разделение проводится следующим образом.

Суспензию, состоящую из частиц разного размера, прошед-

ших сквозь сито 0,1 мм, помещают в высокий сосуд. Здесь

довольно быстро осядут относительно крупные частицы и

частично более мелкие, а во взвеси останутся только мелкие.

Слив через определенное время с помощью специального

сифона суспензию с оставшимися в ней мелкими частицами,

мы получаем мелкие фракции, в то время как в осадке оста-

ются крупные и в том или ином количестве мелкие частицы.

Необходимый промежуток времени отстоя, равно как и чис-

тота разделения проверяется в капле под микроскопом. Про-

Рис. 4.1. Пример записи и оформления результатов гранулометрического

анализа

182

Фамилия, И.О. Ковалева

Jl.B.

Группа:

НГ-78-1

Обр. №24

Нерастворимый остаток (и.о. в ·/·)

•»

>7,09

Первичная навеска для анализа Q "91,47 г

Масса нерастворимой часта β «79,66 г

Размер

фракций, мм

Penmn-

Tu Use-

шша-

ΗΚΙ,Γ

Масса пос-

ле устране

анаяеааэ-

етцг

Соаержа-

шк фрак

UMi, Ч

те,

Содержа-

ние фрк-

Vil

«τβι

Кумуля-

тивны!

процент

Песчано-

гравийные

61,46

«7,1»

77,15

> 10

7-10

5-7

3-5

2-3

1-2

0,5-1,0

0,25-0,5

IrK IrKi

1,4»

1,71

100,01

0,1-0,25

40,07

60,10

<5,70

75,45

91,30

<0,1

2,10

Σ после рас-

сеивания

63,53

Невязка

0,03

Алевритовые

13,1* 14,41 16,55

0,05-0,1

6,70

МО

IlfiS 22,85

0,025-0,05

2*4 3,10 3^7 Il

0,01-0,025 1,54

IJS*

1.61

мз

Пелит

5,02 5,4»

6J0

<0,01

5,02

5,4»

бгЗО

6,30

Размерная фракция для разделения в

тяжелой жидкости - 0,05-0,1 мм

Содержание тяжелой фракции - 2,7 %

Содержание легкой фракции - 93,7 %

Полное название породы: Песчаник

мелкозернистый алевритистый,

слабо

глинистый,

известковистый, хорошо

отсортированный

Место взятия образца:

балка

Onopm

Возраст: К,ар

}

% Гистограмма

0,01 0,025 0,05

Размеры фракций, мм

Кумулятивная кривая

0,01 0,025 0,05

0,= 0,105

MdQ. 0,25

С 0,5

С,

Q = 0,180 S

= 1,71 .S

= 0,»99

2,0 3,0 5,0 7,0 10,0 20,0 мм

Md-

0,145

мм С =

0,38

мм

ведя несколько раз аналогичным образом разделение этого

осадка, можно добиться достаточно надежного разделения

фракций по их размеру. В стандартном варианте гидравличе-

ским методом алевритовые фракции делятся на мелко-

(0,01 —

0,025 мм), средне-

(0,025 — 0,05

мм) и крупнозернистые

(0,05 —

0,1 мм).

Важно отметить, что при сливе необходимо оставлять у

дна примерно

3 — 5

см жидкости, т.е. сливается не вся сус-

пензия; в сохранившемся у дна слое жидкости и непосредст-

венно на дне остаются относительно крупные частицы.

Собственно глинистые (пелитовые) фракции при анализе

песчано-алевритовых пород обычно не разделяются и не со-

бираются, их содержание рассчитывается по разности. Гра-

нулометрический анализ собственно глинистых пород осно-

ван примерно на тех же принципах, хотя его выполнение не-

сколько иное. Вообще конкретная техника анализов имеется

в специальных руководствах, модифицируется и адаптируется

в каждой конкретной лаборатории.

Полученные тем или иным способом фракции собираются,

высушиваются и взвешиваются. Полученные результаты, а

также данные о содержании нерастворимого остатка зано-

сятся в таблицу определенной стандартизированной формы

(рис. 4.1). Результаты гранулометрического анализа представ-

ляются, как правило, в процентах (по массе) содержания ка-

ждой фракции, рассчитанных по отношению к массе нерас-

творимой части породы. Дело в том, что последняя представ-

ляет собой аллотигенную, или кластическую, часть породы и

ее структура непосредственно обусловлена такими фактора-

ми, как расстояние от источников сноса, способ и дальность

переноса, динамика среды осаждения и т.д., т.е. имеет важ-

ное генетическое значение. Растворимая же часть обломоч-

ных пород является аутигенной и отражает химизм вод бас-

сейна седиментации, иловых и (или) пластовых вод (т.е. ста-

дий диагенеза и катагенеза). Детальное исследование ее со-

става, необходимое для восстановления геохимических усло-

вий, является самостоятельной задачей и выходит за рамки

гранулометрического анализа.

Вместе с тем, иногда полезно рассчитывать содержа-

ние фракций на всю породу. Это важно, во-первых, для

пород с высоким содержанием растворимой части — для

более точного их названия и, во-вторых, при оценке

коллекторских свойств, так как растворимая, цементирую-

щая часть резко снижает пористость и проницаемость

пород.

184

Целесообразно на одном листе поместить таблицу анали-

тических данных и выполненные по ним определенные гра-

фические построения (последние рассмотрены далее), кото-

рые характеризуют этот образец и по которым рассчитывает-

ся ряд определенных параметров, а также дать на основе по-

дученных результатов уточненное полное и развернутое на-

звание породы (см. рис. 4.1).

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ШЛИФАХ

Гранулометрический анализ в шлифах произво-

дится путем непосредственного измерения поперечников зе-

рен и последующего пересчета результатов замеров по опре-

деленной методике.

Уже по этому описанию видно, что при такой технике не

учитывается цемент и изучается только обломочная часть с

частицами и зернами размером не менее 0,02

— 0,01

мм. Ко-

личество цемента и тем более его состав не определяется.

Для того чтобы избежать этого недостатка, работу надо раз-

делить на два этапа — определение количества цемента и за-

меры размеров зерен, т.е. собственно гранулометрический

анализ.

Определение содержания

цемента

Самым простым, но и самым приблизительным и

грубым является метод визуального сравнения с эталонами —

трафаретами (рис. 4.2). Этот метод может быть использован

как самая первая и весьма приближенная, сугубо качествен-

ная оценка. Значительно более точными являются методы

замеров площадей, занятых обломками и цементом. Площадь,

занятая цементом, выраженная в процентах к общей площа-

ди породы (шлифа), и будет представлять процентное содер-

жание цемента. Такую работу можно производить с помо-

щью специальной сетки, вмонтированной в окуляр (!Иванов,

1969).

Другой, более простой способ — проведение линейных за-

меров. Дело в том, что определяется не абсолютное содержа-

ние цементирующего материала, а именно его относительное

содержание в породе. В этом случае отношение линейных

размеров в участках цемента к общей длине всех замеров в

породе, по которой проводились замеры, численно будет рав-

но процентному содержанию цемента.

185

Ряс. 4.2. Трафареты для визуального определения содержания компонен

тов в шлифах (по М.С. Швецову, 1958)

Для анализа необходимо использовать окуляр с линейкой

(обычно № 6) и препаратоводитель, куда крепится шлиф. По-

следнее приспособление позволяет перемещать шлиф по

прямым линиями и располагать эти линии параллельно друг

другу на равных, заранее заданных расстояниях. Схема пе-

ремещения показана на рис. 4.3. Одним винтом препаратово-

дителя производится передвижение "шлифа по прямой линии.

Когда линейка доходит до края шлифа, вторым винтом шлиф

перемещается перпендикулярно к первому направлению, и

начинается его перемещение первым винтом, но уже в об-

ратном направлении.

Рис. 4.3. Схема перемещения шлифа препаратоводителем.

Стрелки показывают направление перемещения. Жирными линиями на ли-

нейке показаны интервалы (участки) замера содержания цемента. Цифрами

(1 — 20)

обозначены номера замеров (линеек)

187

Таблица 4.3

Пример записи результатов замеров при определении содержания цемента

Номер линейки

Число делений линейки,

приходящихся на цемент

Сумма

делений

12, 6

, 2, 4, 7

8, 2,

3, 5, 2, 3

7, 4,

2, 3, 2 18

4 5, 2,

6, 8, 7

5 И, 4

, 3, 6, 7, 2

Итого

133

Содержание цемента, %

26,6

Опыт работы показывает, что замеры лучше проводить,

используя всю линейку, а не ее часть, т.е. если при очеред-

ном перемещении линейки она хотя бы частично вышла за

пределы шлифа, лучше в этом положении замеры не произ-

водить, а сразу перейти на следующую параллельную линию.

Как будет видно дальше, это существенно облегчает расчет и

позволяет избежать ошибок. Вопрос о том, насколько надо

сдвигать шлиф, чтобы вести замеры по следующему парал-

лельному направлению, решается опытным путем. Как пра-

вило, для определения процентного содержания цемента

можно использовать шаг примерно в 2 мм, т.е. два маленьких

деления на шкале препаратоводителя.

Поскольку определяется относительное количество це-

мента, необходимо подсчитывать число делений, приходя-

щихся на цемент в пределах всей линейки; цена деления ли-

нейки значения не имеет. Результаты замеров записываются

в виде простенькой таблицы (табл. 4.3).

Расчет проводится по простой формуле ^r-

100, где 1 —

число делений, приходящихся на цемент; I — число делений

в линейке.

Поскольку, как указывалось выше, замеры делались в пре-

делах всей линейки, которая имеет 100 делений, а не ее час-

тей, то расчет резко упрощается, так как достаточно разде-

лить суммарное число делений на число линеек, т.е. переме-

щений. В приведенном примере это будет 133:5 = 26,6 %.

Гранулометрический анализ

Техника работы при определении размеров

зерен аналогична технике определения содержания цемента,

но тут важен абсолютный размер, а для этого необходимо

188

знать цену деления окулярной линейки. Кроме того, опреде-

ляется не суммарное число делений в линейке, а размеры

каждого отдельного зерна. Вместе с тем, поскольку грануло-

метрический анализ подразумевает определение не абсолют-

ных размеров каждого зерна, а числа зерен разных размер-

ных фракций, т.е. фракций, имеющих определенные грани-

цы, при замере отмечается не сам размер зерна, а то, в ка-

кую размерную фракцию данное зерно попадает (табл. 4.4,

колонка 6). В этой колонке каждый случай, т.е. каждое зерно,

попадающее в соответствующую размерную фракцию, мож-

но отмечать точкой, штрихом, галочкой и т.д., однако, по-

скольку таких случаев достаточно много, эта колонка

занимает много места, к тому же потом приходится долго

пересчитывать эти значения поштучно. Проще (но не строго

обязательно!) использовать следующий прием. Первые четы-

ре определения отмечаются точками, располагающимися

в вершинах квадрата. Пятый замер — это линия, соединяю-

щая две точки. Поскольку у квадрата четыре стороны — че-

тыре линии отмечают еще четыре замера, то есть квадрат

означает уже 8 случаев, а если прибавить две диагонали —

все 10. После этого надо начинать новый квадрат. При под-

счете суммы легко сразу определить число десятков (по числу

квадратов с обеим диагоналями) и число замеров по незакон-

ченным квадратам. Эта система значков показана внизу в

табл. 4.4.

Теоретические расчеты и специальные методические ра-

боты показывают, что вполне удовлетворительные результаты

дает анализ, при котором замерено примерно 300

—

500 от-

дельных зерен.

При определении размеров возникает вопрос, какой имен-

но размер, т.е. поперечник зерна, необходимо замерять —

минимальный, максимальный или какой-то средний. Строго

говоря, это должен быть минимальный поперечный размер,

т.е. такой, который «пройдет через сито с соответствующим

сечением сетки». Это подтверждается и специальными иссле-

дованиями, однако замер случайного сечения — по линии

мерной линейки — дает вполне удовлетворительный резуль-

тат, тем более что сами эти конкретные замеры затем пере-

считываются и погрешности, в общем, нивелируются.

Необходимость специальных пересчетов определяется сле-

дующим обстоятельством. При изучении зерен в шлифах,

практически никогда не измеряется их истинный размер. Как

уже отмечалось в гл. 1 (раздел 1.3.3), плоскость шлифа пере-

секает зерна не по их максимальному сечению, а по какому-

189