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

Подождите немного. Документ загружается.

форм проявления, четкость выражения и скорость течения вто-

ричных изменений. Последние по существу сводятся к следую-

щим процессам: уплотнению; отжатию воды; растворению не-

устойчивых соединений; минеральному новообразованию; пере-

кристаллизации.

Уплотнение пород заключается в увеличении плотности гор-

ных пород за счет уменьшения объема порового пространства

и увеличения роли твердой фазы. Процесс сопровождается из-

менением структуры и физических свойств осадочных образова-

ний. Уплотнение осадочных горных пород происходит в резуль-

тате сближения и перегруппировки их составных частей или

вследствие заполнения пустот минеральными новообразовани-

ями. В начальные этапы катагенеза уплотнение происходит

в результате перегруппировки частиц, более плотной их укладки

под действием литостатического (горного) давления, возрастаю-

щего по мере увеличения глубины залегания осадочных толщ.

Максимальное уплотнение пород за счет перегруппировки ча-

стиц и более плотной их укладки в каждом конкретном регионе,

в зависимости от литологического состава, формы, прочности,

отсортированности, характера поверхности частиц, происходит

на разных глубинах. В мезозойских песчано-алевритовых поро-

дах Прикаспийской впадины, содержащих цемента менее 10 %,

процесс завершается на глубине 1200—1300 м. Уплотнение по-

добного типа происходит и под действием стресса.

После перегруппировки частиц дальнейшее уплотнение за

счет давления может происходить в результате растворения ча-

стиц в точках соприкосновения друг с другом по принципу

Рикке

и приспособления их поверхностей друг к другу с обра-

зованием различных типов контактов (рис. 7). Перешедшие

в раствор вещества могут здесь же перейти в твердую фазу,

образуя каемки регенерации минеральных зерен. В процессе

миграции подземные воды проходят области с различными тер-

мобарическими и геохимическими условиями. Изменение обста-

новок часто вызывает переход растворенных веществ в твердую

фазу, заполняющую поры, каверны, трещины. Это приводит

к дальнейшему уплотнению пород.

Степень уплотнения породы оценивают посредством плотно-

сти (δ), пористости (k

), коэффициента метаморфичности

(С)—по О. А. Черникову, коэффициента измененности (I)—

по С. С. Савкевичу, коэффициента сообщаемости пор (Ж) —по

П. А. Карпову. Есть и другие приемы оценки степени уплотне-

ния пород, основанные на исследовании пород в шлифах под

микроскопом. Все они, как и вышеотмеченные, имеют общие

Принцип Рнкке заключается π том, что минералы, слагающие горные

породы, растворяются в точках касания друг с другом в направлении мак-

симального давления (в направлении действия силы тяжести) и вновь кри-

сталлизуются в соседних пустотах.

Рис. 7. Конформные (К), ннкорпорационные (И), микростнлолнтовые (M)

контакты между обломочными зернами; регенерация (P)

недостатки — применимость только для обломочных пород, не

содержащихцемента, небольшая площадь исследования и боль-

шая трудоемкость.

Для определения степени уплотнения пород предлагается

также коэффициент уплотнения k

(Б. К. Прошляков, 1974),

представляющий собой отношение плотности породы (δ

)

к плотности твердой фазы или минералогической плотности

(δ

= δ

/δ

Коэффициент уплотнения представляет собой безразмерную

величину, показывающую во сколько раз плотность породы

меньше плотности слагающей ее твердой фазы. По мере уплот-

нения δ

→ δ

, a k

→1. Коэффициент уплотнения связан с ве-

личиной полной пористости (k

= 1—k

Данный способ выражения уплотнения пород имеет то пре-

имущество, что он может быть применен для любых осадоч-

ных пород (песчаник, известняк, каменная соль и т. д.). Он поз-

воляет установить специфику, отличительные особенности уплот-

Рис. 8. Уплотнение пород с глубиной, мезозойские отложения Прикаспийской

впадины.

1—глины, аргиллиты: 2 — песчаники с содержанием цемента до 10%; 3 — известняки,

преимущественно хемогенные; 4— контуры распространения типов пород

нения разных типов породы, показать влияние давления (через

глубину залегания) на интенсивность уплотнения пород (рис.8).

По степени уплотнения породы разделяются на 5 групп

(табл. 9).

Неуплотненные осадочные образования—лёсс, пляжевые

пески — характеризуются коэффициентом уплотнения 0,4—

0,5%. При погружении песчаники и алевролиты уплотняются

более или менее равномерно до значений k

= 0,90 — 0,95,

а затем в резко замедленном темпе. Глинистые породы быстро

уплотняются до величины k

=0,85—0,90, а затем превраща-

ются в аргиллиты и уплотняются в замедленном темпе. Быстрее

всего уплотняются известняки. Например в Прикаспийской впа-

дине коэффициент уплотнения юрских известняков уже на глу-

бине 1800—2000 м составляет 0,90—0,97, тогда как у песчани-

ков на этой же глубине — 0,70—0,77.

Отжатие воды из осадочных горных пород происходит прак-

тически в течение всей стадии катагенеза. Начальное содержа-

ние воды в породах довольно значительно. В песчаных и

Таблица 9

Классификация пород по степени уплотнения

Степень уплотнения

Коэффициент

уплотнения Jfe^

Коэффициент полной

пористости, A

, %

Неуплотненные <0,6 >40

Слабо уплотненные

0,6-0,75 25-40 -

Уплотненные

0,75-0,85

15—25

Сильно уплотненные

0,85—0,95

5—15

Очень сильно уплотненные >0,95

алевритовых породах она составляет до 50 % объема, а в глини-

стых еще больше.

По форме связи с твердой фазой породы, воды подразделя-

ются на свободную (гравитационную),капиллярную и связанную

(физически или химически). Свободная вода способна переме-

щаться в породах под действием силы тяжести или пласто-

вого давления, а капиллярная, кроме того, под действием капил-

лярных сил. Связанная вода не перемещается в породах (см.

§ 4, гл. 20). В лабораторных условиях повышение давления до

300 МПа и более может вызвать отделение от породы физи-

чески связанной воды. При уплотнении пород на стадии катаге-

неза может выделиться огромное количество воды. Например,

при снижении пористости водоносного песчаника от 35 до 5 %

из каждого кубического километра породы отжимается до

300 млн. т -йоды. Постепенно освобождающаяся вода в усло-

виях высоких температур и давлений играет важную роль в пе-

рераспределении вещества осадочных пород.

Растворение составных частей породы. Составные части гор-

ных пород обладают устойчивостью в определенных термоба-

рических и геохимических условиях. Изменение последних со-

провождается нарушением равновесия между твердой (мине-

ральной, органической), жидкой и газообразной фазами. Это

приводит к тому, что некоторые минералы и органические сое-

динения растворяются в подземных водах, нефтях, конденсате.

Следствие этого — образование в породах каверн (рис. 9), рас-

ширение трещин, повышение минерализации подземных вод до

25—30 г/100 г раствора, а также присутствие в нефтях и кон-

денсате широкого ассортимента химических элементов и метал-

лоорганических соединений.

Растворимость минералов определяется целым рядом фак-

торов: температурой, давлением, фильтрационными способно-

стями пород, а также свойствами самих растворителей (воды,

нефти, конденсата)—их минерализацией, солевым составом,

Eh, рН, составом и количеством растворенных газов и др. Га-

лоиды, сульфаты, карбонаты наиболее легко растворимы в при-

Рис. 10. Коррозия зерна

кварца на контакте с каль-

цитом. Пунктиром показа-

на докатагенетнческая фор-

ма. Алевролит, Аралсор-

ская скв. СГ-1, гл. 4420,6—

2232,3 м. Увел. 200.

1 — кварц.: 2 — кальцит; 3 —

лейкоксен: 4 — глинисто-желе-

зистый материал

Рис. 9. Каверны в известняке, образовав-

шиеся в результате растворения кальцита.

Уральская область, скважина Тепловская-1,

глубина 2893—2898 м.

родных условиях и составляют основу солевой части подзем-

ных вод, а также занимают значительную долю среди веществ,

содержащихся в жидких углеводородах. Кроме того во флюи-

дах присутствуют кремний, стронций, алюминий, железо, мар-

ганец, микроэлементы (V, Ni, Со, Mo, Cu и многие другие).

Изучение пород под микроскопом показало, что многие ми-

нералы несут следы растворения. Поверхность кварца, полевых

шпатов, кислых плагиоклазов нередко корродированы на гра-

нице с кальцитом (рис. 10). В породах, находящихся (или на-

ходившихся прежде) на больших глубинах, имеются структуры

растворения под давлением — конформные, инкорпорационные,

микростилолитовые. Изучение песчаных и алевритовых пород

в мезозойских разрезах Прикаспийской впадины, Северного Кав-

каза и Туркмении показало, что содержание кальцита в них

уменьшается с увеличением глубины до 1,5—2,5 км.

Значительную роль в процессе катагенеза играют органиче-

ские соединения — битумоиды, карбоновые и гуминовые кис-

лоты, присутствующие в подземных водах и способствующие

растворению ряда минеральных образований. Роль нефти, в за-

висимости от ее соотношения с окружающей средой, бывает

различной. На контакте с водой нефть может окислиться и ча-

стично разложиться с образованием углекислоты, вследствие

этого вода становится более агрессивной по отношениию к кар-

бонатам, кварцу и другим минералам. Углеводороды могут

вызвать восстановление сульфатных ионов, благодаря чему пла-

стовые воды оказываются недонасыщенными сульфатами. Это

обстоятельство вызывает растворение новых порций гипса или

ангидрита. Такие процессы характерны для стадий миграции и

формирования залежей углеводородов, когда флюиды представ-

ляют собой смесь воды, нефти и газа. После разделения флюи-

дов нефть выступает уже в качестве консерванта. Насыщая

породы, она изолирует их от воды, тем самым препятствуя

растворению минералов. Следует иметь в виду, что при разра-

ботке нефтяных месторождений происходит замещение нефти

водой — пластовой или пресной, закачиваемой в пласт с целью

поддержания пластового давления. Вследствие этого наруша-

ется физико-химическое равновесие, что влечет за собой рас-

творение минералов, их новообразование или преобразование.

Минеральные новообразования широко распространены

в осадочных породах. Вторичные образования чаще всего пред-

ставлены породообразующими минералами — кварцем, кальци-

том, полевыми шпатами, кислыми плагиоклазами, халцедоном,

гидрослюдой, хлоритом и др. Они образуются за счет веществ,

растворенных в подземных водах, и газообразных соединений,

содержащихся в пустотном пространстве пород.

Причина образования новых минералов — нарушение физи-

ко-химического равновесия в системе из-за поступления мигри-

рующих флюидов в иные термобарическую и геохимическую

обстановки. Кроме того, новые соединения возникают при взаи-

модействии минеральных и органических соединений с подзем-

ными водами:

Аутигенный (новообразованный) кальцит выделяется из

пластовых вод при повышенных температурах (выше 60—70

C),

заполняя при этом зияющие трещины (рис. 11), поры и каверны.

Взаимодействие кальцита с водами, несущими магний, может

вызвать образование доломита. Кремнезем образуется в зонах

повышенных температур и давлений в нейтральной или слабо

кислой среде. В песчаных и алевритовых породах он обычно

выделяется в виде каемок регенерации, в доломитах — в виде

более или менее идиоморфных кристаллов кварца или непра-

вильных выделений халцедона. Для стадии катагенеза харак-

терны вторичные образования удлиненно-пластинчатых гидро-

слюд, пачек каолинита и табличек хлорита. Их возникновение

связано с зонами повышенных температур. Взаимодействие

обугленных органических остатков, битумов с пластовыми во-

дами приводит к образованию сульфидов железа (рис. 12) и

других металлов. Воздействие богатых кислородом вод на суль-

фиды железа приводит к образованию гидроокислов железа

и т. д.

Перекристаллизация вещества — типичный процесс стадии

катагенеза. Она заключается в преобразовании кристалличе-

Рис. 11. Вторичный кальцит (белое)

выполняет микротрещину в извест-

няке оолитовом. Увел. 25

Рис. 12. Микротрёщина в известняке,

заполненная твердым керитоподоб-

ным битумоидом. На контакте

между породой и битумоидом выде-

ление сульфидов железа и других

металлов (черное). Увел. 45

ских зерен без изменения их состава и структуры кристалличе-

ской решетки, в укрупнении кристаллов за счет слияния не-

скольких зерен, изменении формы кристаллов, приспособлении

их к поверхностям соседних минералов, освобождении от при-

месей. Перекристаллизация минералов сопровождается умень-

шением объема породы, ее уплотнением, увеличением устойчи-

вости данной системы в новых термобарических условиях.

Наиболее характерна перекристаллизация для хемогенных и ор-

ганогенных образований — кальцита, доломита, гипса и др.

Аморфные вещества осадочных образований на стадии диаге-

неза и катагенеза могут подвергнуться девитрификации (рас-

кристаллизации), что характерно для опаловых и фосфатных

образований, обломков эффузивных пород.

Направленность катагенетических процессов нередко меня-

ется на противоположную при изменении термобарических и

геохимических условий, происходящих при погружении осадоч-

ных толщ. Так например, в мезозойских песчано-алевритовых

породах Прикаспийской впадины содержание растворимой

Pua 13. Содержание в песчано-алевритовььч породах растворимой (в 6%-

ной HCl) части (а), кальция+магния (б) и изменение общей минерализа-

ции пластовых вод (в) с повышением температуры (каждая точка — средне-

арифметическое значение по 5—20 анализам)

в 6%-ной HCl части, представленной главным образом кальци-

том, понижается с глубиной до температурной границы (55—

C (рис. 13). В интервале 60—75

C положение медианы

стабилизируется, а затем ее значение начинает возрастать. Про-

тивоположным образом с повышением температуры изменяется

суммарное содержание кальция и магния в подземных водах

(см. рис. 13). Изучение пород в шлифах позволило установить

следы растворения кальцита на малых глубинах и минеральные

новообразования на глубинах свыше 2,5—3 км, где темпера-

туры превышают 70—75

C. В непроницаемых глинах призна-

ков растворения кальцита на небольших глубинах не наблюда-

ется, а вторичные выделения появляются в трещинах на глуби-

нах 4—4,5 км там, где глины переходят в хрупкие, трещиноватые

аргиллиты. Таким образом, в проницаемых породах при

Рис. 14. Изменение обломочных зерен кварца в зависимости от глубины

залегания и состава терригенных пород.

1 — неизмененные зерна; 2 — корродированные зерна; 3 — зерна корродированные со

структурами растворения (конформные); 4—зерна корродированные со структурами

растворения и регенерацией; 5 — верхняя граница развития структур растворения; 6 —

верхняя граница развития регенерационных структур (по Б. К. Прошлякову, Т. И. Галь-

яновой)

низких температурах происходит растворение кальцитового це-

мента. Повышение температуры сначала приводит к прекраще-

нию этого процесса, а затем и к выделению кальцита в твер-

дую фазу в поровом пространстве песчаных пород, и по трещи-

нам— в аргиллитах.

Кварц также претерпевает существенные изменения при по-

гружении осадочных толщ. При этом следует отметить, что наи-

более интенсивные изменения зерен кварца происходят в про-

ницаемых терригенных, песчано-глинистых породах, содержа-

щих менее 40 % цемента. Изменения кварца, например,

в Прикаспийской впадине на небольших глубинах заключаются

в корродировании поверхности зерен (рис. 14). Ниже, на

Рис. 15. Изменение ассоциации глинистых минералов с увеличенном глубины

залегания пород. Прикаспийская впадина, мезозойские отложения

глубине 1000—1200 м, к этому добавляются структуры раство-

рения под давлением (конформные, инкорпорационные), а с глу-

бины 1800—2000 м появляются признаки регенерации. В терри-

генных породах, содержащих свыше 40% глинистого материала

и кальцита, изменения кварца незначительны или отсутствуют

вообще.