Прошляков Б.К., Кузнецов В.Г. Литология

Подождите немного. Документ загружается.

не изменяют своего направления или отклоняются незначи-

тельно. Более плотные вещества, а также утолщенные участки

сильнее рассеивают электроны и поэтому изображаются на

флюоресцирующем экране более темными, чем тонкие, менее

плотные объекты. Это сильно увеличенное изображение может

быть получено на фотоматериалах. Используя различные при-

емы подготовки образца для исследования и способы фиксации

последствий электронного облучения, изложенные в специаль-

ных инструкциях, можно установить размер, форму, характер

поверхности, а также получить стереоскопическое изображение

объекта.

Растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ)

действует на телевизионном принципе развертки тонкого пучка

электронов по поверхности образца. Исследования проводят на

свежих сколах или пришлифовках пород. Для предотвращения

скопления электрического заряда на отдельных участках по-

верхности образца, на нее в вакуумной установке наносят тон-

кую (10—20 нм) пленку металла — золота, серебра, платины

или некоторых других. Пучок электронов (рис. 48) с катода 1

при ускоряющем напряжении до 50 ООО В проходит через си-

стему магнитов и электромагнитов, выполняющих роль линз 2,

4 и фокусируется в плоскости образца 5. Часть электронного

тока с образца переходит в коллектор 6, образуя видеосигнал.

Последний, после усиления в усилителе 7 модулирует ток в луче

кинескопа 10. Синхронизация отклонения луча в приборе и

электронно-лучевой трубке осуществляется с помощью генера-

тора пилообразных сигналов (5, 3, 9 — отклоняющие катушки).

Разрешающая способность современных РЭМ —1,5 нм и

позволяют получить увеличение от 12 до 150 000 раз. РЭМ дает

возможность наблюдать визуально и фотографировать с кине-

скопа прямое, объемное изображение структуры породы, по-

верхности минеральных зерен, морфологических особенностей

тонкодисперсных (рис. 49) и аморфных минералов, а также

структуру порового пространства. В последние годы В. А. Кузь-

миным (МИНГ им. И. М. Губкина) разработана методика ис-

следования распределения нефти и битумов в породе на основе

совмещения вторично-электронного и катодо-люминесцеитного

изображений (рис. 50).

Химический анализ. В практике литологических исследова-

ний химический анализ находит широкое применение в изуче-

нии хемогенных и биогенных пород, а в ряде случаев — обло-

мочных и глинистых. Этот вид анализа предназначен для коли-

чественного определения содержания того или иного элемента.

Существуют несколько видов химического анализа: полный

(силикатный или валовой), когда определяются количества

практически всех элементов, входящих в состав породы; сокра-

щенный (или карбонатный) анализ предусматривает определе-

Заказ Jft 1133

16l

Рис. 48. Принципиальная

схема растрового элект-

ронного микроскопа

Рис. 49. Аутигенный железистый хлорит в поровом пространстве песчаника.

Растровый электронный микроскоп. Увел. 10 000. Самотлор, глуб. 1721,5—

1727,5 м. Из коллекции В. А. Кузьмина

ние SiO

, Al

, Fe

, FeO, CaO, MgO, K

O, Na

O, CO

, SO

общ

, S

cд

, Cl, H

O, потери при прокаливании, нерастворимый

остаток. Наконец, в ряде случаев химический анализ использу-

ется для определения отдельных элементов. Результаты хими-

ческого анализа играют важную роль при установлении гене-

зиса пород и при палеореконструкциях.

Спектральный анализ — один из методов определения эле-

ментного состава минералов и горных пород. В его основе ле-

.162

Рис. 50. Нефть (белое)

в поровом пространстве

песчаника. Растровый

электронный микроскоп.

Увел. 1500. Совмещенное

вторично-электронное и

катодо - люминесцентное

изображение (по

В. А. Кузьмину)

жит свойство вещества испаряться при высокой температуре и

возбуждаться до испускания его атомами излучения в виде ли-

нейного спектра. Источниками возбуждения служат вольтовая

дуга или дуговой разряд. С помощью специальных приборов

(спектрографов) спектр фотографируют. Сравнивая его с эта-

лонными таблицами спектральных линий, определяют элементы,

присутствующие в данной пробе. Одновременно с качественной

характеристикой пробы определяют и примерное содержание

элементов в породе. Чувствительность метода для каждого эле-

мента своя, но в целом достаточно высокая (сотые — десятиты-

сячные доли %).

Метод дает возможность по малому количеству материала

(50—100 мг) быстро получить подробное представление о хими-

ческом составе исследуемого вещества с определением до 60 хи-

мических элементов. При массовом использовании спектраль-

ных анализов можно получить важные сведения о генезисе по-

роды.

Рентгено-флюоресцентный анализ. Этот вид исследования

позволяет определять химический состав и количественное со-

держание элементов в твердых и жидких фазах, в том числе

и горных породах и минералах. Он объединяет в себе лучшие

показатели химического и спектрального анализов — обладает

высокой чувствительностью и производительностью. Многие эле-

менты определяются при содержании их в количестве до деся-

титысячных долей процента. Анализ выполняется на рентгено-

флюоресцентных анализаторах, производимых в ряде стран.

Лазерный микроанализ. Назначение метода — определить со-

став и содержание химических элементов в микроскопических,

точечных объектах, выявленных в образцах минералов и гор-

ных пород. Лазерный луч, направленный на объект, превращает

163

последний в плазменное состояние и одновременно на приборе

(лазерном микроанализаторе) осуществляется количественный

анализ вещества.

Термический анализ. Применяется в литологии для опреде-

ления минерального состава глинистых, карбонатных и некото-

рых других пород. Сущность метода заключается в измерении

температуры или диапазона температур, при которых происхо-

дят фазовые превращения или реакции (плавления, кипения,

разложения на составные части, потеря воды и т. д.) в процессе

нагревания вещества. Фазовые превращения и реакции могут

быть экзотермическими — с выделением тепла (перекристалли-

зация, окисление и др.) и эндотермическими — с поглощением

тепла (плавление, потеря воды и др.). Экзотермические про-

цессы вызывают повышение температуры вещества относи-

тельно нагревающего тела, а эндотермические — наоборот—вы-

зывают снижение.

Установка для термического анализа в принципе состоит из

нагревательной печи, термопары и зеркальных гальванометров,

с помощью которых регистрируются кривые нагревания (темпе-

ратурная и дифференциальная) и потери массы. Термические

эффекты при нагревании породы записываются в координатах

«температура — время» или в виде дифференциальной кривой

в координатах «разность температур изучаемого вещества и эта-

лона— температура среды (или время)». При этом имеется

в виду, что эталон нагревается постепенно и без термических

эффектов, поэтому между ними и испытуемым образцом в опре-

деленных диапазонах нагрева возникает разность температур,

фиксируемая самописцем (рис. 51).

Необходимо отметить, что присутствие в породах примесей

существенно затрудняет интерпретацию материалов термиче-

ского анализа. Так, экзотермический эффект дают присутствие

небольшой примеси пирита при температуре 400—410

C, орга-

ническое вещество при температуре 300—450

C. Влияют на ха-

рактер дифференциальных кривых дисперсность и степень со-

вершенства структуры вещества. Большие затруднения возни-

кают при интерпретации в случае совместного присутствия не-

скольких глинистых или карбонатных минералов.

Таким образом в существующих вариантах термический ана-

лиз для массовых определений при литологических исследова-

ниях мало эффективен, хотя при решении отдельных вопросов

может найти применение.

Рентгеновские исследования. Этот метод изучения вещества

базируется на явлении дифракции рентгеновских лучей от упо-

рядоченных атомных плоскостей кристаллической решетки ве-

щества. Он позволяет идентифицировать вещества как в виде

монофаз, так и в составе смесей. В настоящее время рентгенов-

ские исследования для литологических целей выполняются:

164

Рис. 51. Дифференциальные кривые

1) регистрацией дифракцион-

ного спектра от объектов

в виде дифрактограммы;

2) фоторегистрацией отраже-

ний в виде рентгенограмм.

Предпочтение отдается пер-

вому варианту.

Исследования проводятся

на дифрактометрах рентгенов-

ских общего назначения

(ДРОН-1, ДРОН-2, ДРОН-3).

Дифрактометр позволяет ав-

томатически регистрировать

кривые распределения интен-

сивности рентгеновского излу-

чения, дефрагированного ис-

следуемым образом, по углам

дифракции. Наиболее эффек-

тивный и наглядный способ

регистрации дифракционного

спектра—метод Брегга—Брен-

тано.

Для исследования образец

механически дробят, а затем

растирают с дистиллированной водой в яшмовой ступке до по-

лучения густой суспензии.

Полученную массу наносят на стеклянную пластинку, после

высушивания препарат готов для исследования с целью получе-

ния дифрактограммы.

Дифрактометр работает по следующей схеме. Поток рентге-

новских лучей, сформированный системой щелей линейной

формы, направляется на препарат и, отражаясь от последнего

через щели, попадает в счетчик. Приемная щель счетчика и ис-

точник излучения располагаются по окружности, в центре ко-

торой находится исследуемый объект. В процессе исследования

образец медленно поворачивается по отношению к направлению

потока рентгеновского излучения, который вследствие этого па-

дает на плоскости мельчайших кристаллов под разными углами.

После отражения от образца лучи попадают в счетчик, который

соединен с электронным потенциометром и записывающим уст-

ройством. Дифрактограмма (рис. 52) регистрируется на специ-

альной бумажной ленте и представляет собой ломаную линию

с характерными рефлексами (пиками) разной интенсивности.

С помощью гониометра и сканирующего устройства, синхронно

связанных со счетчиком, на дифрактограмме одновременно от-

мечаются углы падения рентгеновских лучей на плоскость кри-

сталлической решетки.

165

Рис. 52. Дифрактограмма монтмориллонита неупорядоченного типа.

Образец: а— исходный, б — насыщенный этиленгликолем. в — насыщенный глицери-

ном, г — прокаленный в течение 2 ч при 350

C (по Д. Д. Котельпикову)

Каждый минерал в зависимости от структуры характеризу-

ется определенным комплексом рефлексов и соотношением их

интенсивностей. Гидрослюда, например, диагностируется по се-

рии рефлексов, кратных 100 нм (100, 50, 33, 3 нм и т. д.), као-

линит— 71,5 нм, монтмориллонит—124 или 154 нм (в зависи-

мости от катиона — Na

, Ca

, занимающего межслоевые про-

166

межутки), хлорит— 142 нм и т. д. В горных породах, например,

глинистые минералы встречаются совместно, причем с разной

степенью совершенства структуры. В связи с этим близкие по

значению рефлексы разных минералов могут накладываться

друг на друга, что затрудняет диагностику. Для ее облегчения

препараты подвергают дополнительной обработке—насыщению

этиленгликолем, глицерином, прокаливанием при температуре

до 800 °С, воздействуя 10 %-ной соляной кислотой, нагретой до

80 °С, щелочами и другими реактивами. Дифрактометрические

исследования, выполненные после этого, показали, что положе-

ние и интенсивность некоторых базальных рефлексов меняются

(см. рис. 52). Этот прием облегчает диагностику минералов

в случае неоднозначной интерпретации дифрактограмм.

Метод фоторегистраций отражений в виде рентгенограммы

менее производителен (в 2—4 раза), чем при регистрации диф-

рактограммы. Обладая достаточной надежностью и достовер-

ностью определений для мономинеральных пород, он явно усту-

пает последнему в случае полиминеральных пород (следует при

этом помнить, что глинистые, карбонатные и другие породы

в большинстве своем полиминеральны). Эти обстоятельства

стали причиной того, что метод фоторегистрации не находит ши-

рокого применения.

§2. МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

АНАЛИТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Для выявления закономерностей формирования пород, опре-

деления характера взаимосвязей между различными геологиче-

скими явлениями и установления зависимостей физических

свойств от литологического состава пород широко используются

графические построения и статистические обобщения. Некото-

рые способы графической обработки литологической информа-

ции, используемой в нефтегазовой геологии, описываются ниже.

Столбиковые диаграммы (гистограммы) применяются для

изображения результатов гранулометрического и химического

анализа горных пород. Они строятся в двухкоординатной си-

стеме (рис. 53).

Кривые распределения строятся для тех же целей и в таких

же координатах, что и гистограммы. Отличие заключается

в том, что положение фракций на плоскости изображается

в виде точек, которые затем соединяются плавной кривой (рис.

54). На один график можно нанести значительное количество

(несколько десятков) кривых распределения, сравнить их между

собой и сделать обобщающие выводы. В этом преимущество

кривых распределения перед гистограммами, на которых изо-

бражается только один образец. Генетический смысл этих

i67

построений таков: примерно равное содержание размерных

фракций — признак слабой отсортированности обломочных зе-

рен. Резкое преобладание (>70—80 %) одной из фракций на-

оборот, свидетельствует об однородности породы и хорошей сор-

тировке обломочных зерен.

Кумулятивные, или нарастающие, кривые используют для

изображения состава песчаных и алевритовых пород и опреде-

ления петрографических коэффициентов. По оси ординат в ло-

гарифмическом масштабе откладывают конечные (максималь-

ные) размеры каждой фракции гранулометрического анализа

(для фракции <0,01 мм берут величину 0,01 мм, для фракции

0.01—0,025 мм соответственно 0,025 мм и т. д.). По оси абсцисс

откладывают суммарное количество фракций (в %). размер ко-

торых равен конечному и меньше его. Например, в точке, соот-

ветствующей конечному размеру фракции 0,01 мм, откладыва-

ется содержание частиц (в %) величиной 0,01 мм и менее. При

конечном размере частиц 0,1 мм откладывается сумма фракций:

<0,01 + (0,01—0,025) + (0,025—0,05) + (0,05—0,1) мм. Подоб-

ным образом формируются и последующие координаты.

По кумулятивной кривой определяют петрографические ко-

эффициенты: средний размер зерен (MD— медиана), коэффи-

циент отсортированности (S

) и коэффициент асимметрии (S

Средний размер зерен — граничная величина, относительно

которой одна половина зерен (по массе) данной породы мельче,

а вторая — крупнее. Определяют медиану, опуская перпендику-

ляр на ось ординат из точки,расположенной на кривой с абс-

циссой 50 % — место пересечения перпендикуляра с ординатой

соответствует медиане. Подобным же образом определяются

квартили 1 и 3. Квартили представляют собой категории мате-

168

Рис. 53. Столбиковая диаграмма

гранулометрического состава обло-

мочной породы

Рис. 54. Кривая распределения гра-

нулометрического состава обломоч-

ной породы, идентичной изображен-

ной на рис. 53

Размер частиц, мм

Рис. 55. Кумулятивная кривая гранулометрического состава обломочной

породы

Рис. 56. Треугольная диаграмма. В точке 1 содержание компоненты А —

60 %. S - 3 0 %. С — 1 0 %

матической статистики и характеризуют размер частиц, относи-

тельно которых масса меньших по размеру зерен породы состав-

ляет 25 % (квартиль 1, Q

) и 75 % (квартиль 3, Q

) от массы не-

растворимой части породы. Кумулятивная кривая, построенная

по тем же данным, что гистограмма и кривая распределения

(см. рис. 53, 54) приведена на рис. 55, при этом Md=0,19 мм,

Qi = 0,12 мм, Q

= O,27 мм.

Численные значения квартилей используют для приближен-

ной оценки степени отсортированности обломочного материала,

слагающего породу, по формуле: S

= Q3/Q1; в нашем примере

= 0,27/0,12 = 2,25.

Первоначально П. Траск предложил определять коэффици-

ент отсортированности как корень квадратный из отношения

169

- В таком виде иногда его определяют и в настоящее

время. Для пород с идеально отсортированными частицами Q

= Q

, S

=1. С понижением степени сортировки зерен S

возра-

стает. Условно принято считать хорошей отсортированность зе-

рен при S

=1—2,5, средней — при S

= 2,5—4,5 и низкой при

>4,5.

Используя найденные величины (Md, Q

и Q

) определяют

коэффициент асимметрии S

= Q

/Md

, который показывает

положение преобладающей размерности по отношению к ме-

диане.

Рассмотренная методика определения петрографических ко-

эффициентов весьма приближенная. Она обладает известным

недостатком — малой чувствительностью к изменению весовых

процентов, а фракции мельче Q

и крупнее Q

не учитываются

вообще, хотя в сумме они составляют 50 % обломочной части.

Существуют и другие методы вычисления петрографических ко-

эффицентов, в частности предложенные О. О. Фолком и

С. С. Вардом (1957 г.), однако, и они не лишены недостатков.

В практике отечественных литологических исследований эти ме-

тоды не нашли широкого распространения в связи с отсут-

ствием специальных сит.

Треугольные диаграммы широко применяются при литологи-

ческих исследованиях (рис. 56) и весьма удобны для изображе-

ния состава пород. На них можно показать любую трехкомпо-

нентную систему. Каждая из вершин соответствует 100 % од-

ного из трех компонентов, а противолежащая ей сторона — ну-

левому содержанию этого же компонента.

Если порода состоит из множества составных частей, для ее

изображения на диаграмме необходимо объединить составные

части в три группы, родственные по литологическим или гене-

тическим признакам. При исследовании терригенных пород объ-

единяют в одну группу фракции песка, в другую — фракции

алеврита, в третью — пелит и глинистую часть. В случае карбо-

натных пород выделяют в самостоятельные группы кальцит, до-

ломит и нерастворимую часть (куда входят песок, алеврит, пе-

лит, глинистые минералы). В зависимости от целей исследова-

ния возможна группировка составных частей и по другим

признакам.

На треугольную диаграмму можно нанести практически не-

ограниченное количество образцов. Это обстоятельство позво-

ляет проследить эволюцию пород в геологическом разрезе сква-

жины или обнажения. Если же нанести на диаграмму состав

пород одного возраста, но из разных районов, то можно полу-

чить представление об особенностях осадконакопления в пре-

делах данной территории. Удобна диаграмма и для выявления

зависимости коллекторских свойств от литологического состава

пород.

170