Романовский С.И. Седиментологические основы литологии

Подождите немного. Документ загружается.

разрезом

современных или молодых отложений до совпадения

объема

минеральной массы в обоих разрезах. Естественно, для

того

чтобы достигнуть такого совпадения, разрез древних отложе-

ний надо как бы

«растянуть»,

т. е. разуплотнить.

Рассмотрим

далее вопросы, связанные с оценкой коэффициента

уплотнения алеврито-глинистых пород. Существуют как прямые

методы

расчета этого коэффициента, так и косвенные, связанные

введением дополнительных величин, значения которых либо

устанавливаются

лабораторным путем, либо определяются на

основе

современных осадков.

Среди прямых методов оценки коэффициента уплотнения наи-

более

распространен «конкреционный» метод, основанный на

«обтекании»

слоистости глинистых пород включенных в них

известковых

и железистых конкреций. С помощью этого метода

коэффициент уплотнения определял Ю. Н. Приходько [214]

на разрезах Интинского месторождения Печорского бассейна,

П.

В. Зарицкин [118] на материале угленосных толщ Донбасса

и другие геологи. Не очень удачно, правда, определение, которое

дает

Ю. Н. Приходько [214, с. 99]: Коэффициент уплотнения —

это

«отношение нормальной мощности слоя во время покрытия

его

вышележащим осадком к нормальной мощности, наблюдаемой

настоящее

время».

Согласно этому определению коэффициент

уплотнения к всегда больше или равен единице и представляет

собой

величину ненормированную. На примере коэффициента

сортировки Траска мы убедились, что всякие величины такого

рода

обязательно должны быть нормированы на единицу, что

значительно облегчает построение классификаций (в данном слу-

чае классификации алевро-глинистых пород по степени уплотне-

ния) и интерпретацию результатов исследования, ибо при

наличии

упомянутой классификации любые численные значения коэффи-

циента уплотнения всеми исследователями будут интерпретиро-

ваться

однозначно.

Дадим определение коэффициента уплотнения, удовлетворя-

ющее

названным требованиям. Коэффициентом уплотнения будем

называть

отношение разности мощностей неуплотненного &*-

и уплотненного h слоя к мощности неуплотненного слоя, т. е.

ь=\^-

(241)

Ясно,

что если h* = h (уплотнение отсутствует), то к = 0. Если

In-*-

0, то /с

1. Из (241) следует, что искомая величина, т. е.

первичная мощность слоя (или группы слоев), может быть рассчи-

тана

по формуле

= • (242)

Дальнейшая задача поэтому сводится к корректной оценке к,

либо к оценке h* другими методами с корректировкой к.

Опираясь на теоретически возможные пределы изменения

коэффициента уплотнения, можно предложить следующую клас-

сификацию пород по способности к изменению начальных мощ-

ностей слоев (табл. 21).

ТАБЛИЦА

Классификация

пород по степени уплотнения

Коэффициент

-уплотнения

Характер

у плотня

емости

Породы

<0,1

Практически не уплотняющиеся

породы

Крупнозернистые и грубозерни-

стые

песчаники, гравелиты и

т.

д.

Песчаники мелкозернистые

Алевролиты крупно- и среднезер-

нистые

Алевролит

мелкозернистый, ар-

гиллиты и т. п.

Углистые аргиллиты, торф и

т.

п.

0,1-0,3

0,3-0,5

0,5—0,7

>0,7

Слабо

уплотняющиеся породы

Умеренно уплотняющиеся поро-

ды

Сильно уплотняющиеся породы

Очень сильно уплотняющиеся

породы

Крупнозернистые и грубозерни-

стые

песчаники, гравелиты и

т.

д.

Песчаники мелкозернистые

Алевролиты крупно- и среднезер-

нистые

Алевролит

мелкозернистый, ар-

гиллиты и т. п.

Углистые аргиллиты, торф и

т.

п.

Данная классификация разработана на материале конкретных

оценок коэффициента уплотнения для разного типа пород, которые

содержатся

в работах П. В. Зарицкого

[118],

Ю. Н. Приходько

[214],

К. Г. Войновского-Кригера и В. В. Погоревича [67],

Э.

Л. Гамильтона [75], А. А. Горелова [83], С. А. Захарова

[120],

С.

А. Сосланда [285] и других геологов.

Исходя из физики процессов гравитационного уплотнения,

которую

мы описали в предыдущей главе, можно заключить, что

величина коэффициента уплотнения в первую очередь должна

зависеть

от того, насколько сильно изменилась пористость осадка

от

начальной стадии (до

приложения

нагрузки) к конечной, т. е.

к той, в которой порода находится в настоящее время. Иными

словами,

если ft = ft* — Aft*, то к = / (/г

, тг), где п

— начальная

пористость осадка; п — пористость породы в современных усло-

виях залегания.

Из курса механики грунтов известно, что Aft* (величина уплот-

нения

слоя) определяется из уравнения

дй*

Л±—

+ щ

или

ft*

ft.

(243)

(244)

Сравнив

формулу (244) с

(241),

получим выражение для

оценки

коэффициента уплотнения через начальную и конечную пори-

стость

породы:

к=

щ>--п_

245)

Попытаемся далее связать в единую функциональную зависи-

мость

три переменные: мощность слоя или толщи в современном

залегании, закон уплотнения и пористость пород п с тем, чтобы

на этом основании оценить величину первичной мощности /г*

•слоя (или толщи). Заметим, что в такой постановке задача ре-

шается

впервые. Ранее ее решали (и в ряде случаев получили

неплохие результаты) И. Н. Нестеров

[201],

Д. Маршал, В. Фи-

липп

[480] и многие другие геологи. Однако в предлагаемом

нами подходе в отличие от всех предыдущих исследователей

учитываются

в явном виде не только названные выше переменные,

но и аналитический вид закона уплотнения, т. е. функция, свя-

зывающая

начальную и конечную пористость слоя с глубиной

его

залегания.

Перепишем формулу (243) в виде

A^*

— п (246)

Заметим,

что п = ф (п

, а, Щ, где конкретный вид этой функции

соответствует

закону изменения пористости с глубиной. Сделав

необходимые преобразования в соотношении

(246),

найдем, что

Л*

- , ,

]

+ п

h. . • ' (247)

Если,

как было показано в гл..

XIII,

пористость с глубиной изме-

няется по экспоненциальному закону, т. е. п = п

ехр

(—аН),

то,

выразив п

через п, формулу (247) приведем к виду

= ! + "ву^ h (248)

Соотношение

(248) является основной расчетной формулой для

оценки первичных мощностей алевро-глинистых пород, когда

пористость с глубиной изменяется по экспоненциальному закону.

Если

пористость как функцию» от глубины залегания пород можно

представить в виде

(217),

(218) или

(221),

то и первичная мощность

осадочной толщи должна оцениваться с учетом этих закономер-

ностей.

Следует

отметить, что при практической реализации предлага-

емого

метода оценки первичных мощностей осадочных толщ может

оказаться,

что закон изменения пористости алевро-глинистых

пород не выдерживается по всему разрезу. Тогда разрез разби-

вается

на части, в пределах которых фиксируется постоянный

вид функции ф (тг

, аН), и для каждой из них оцениваются пер-

вичные мощности на основе соотношения

(248).

Проиллюстрируем данную методику на примере реконструк-

ции мощностей мезозойско-кайнозойских алевро-глинистых пород

Западно-Сибирской низменности, вскрытых Сургутской опорной

скважиной («Труды

ВНИГРИ».

Л.,

«Недра»,

1964).

Сургутская

скважина пробурена в центральной части Западно-Сибирской

низменности до кристаллического фундамента, который она

вскрыла на отметке 3070 м. Первые 600 м были пройдены без

опробования, поэтому в наши расчеты этот участок разреза не

включается. В интервале 600—1900 м керн отбирался через 50 м,

интервале 1900—2800 м через 25 м и, наконец, в интервале

2800—3070

м через 15 м. Первые образцы анализировались с глу-

бины 691 м.

Возраст

отложений — от палеогена до юры. Наиболее

Рис. 77. Зависимость пористости алевро-глинистых пород от

глубины их залегания.

Черные

точки

—

по материалам Сургутской опорной

скважины

(кривая

.Z);

светлые точки—по материалам Э.

Л.

Гамильтона [75] (кривая

2).

распространенные разности пород — это глина, аргиллиты и алев-

ролиты. Изредка вскрываются песчаники, а ташке переслаивания

алевролита с аргиллитом и алевролита с песчаником.

Расчет первичных мощностей в данном случае велся с точностью

до свит. Поясним все этапы расчета на примере тюменской свиты.

Характер

изменения пористости алевро-глинистых пород с глу-

биной

их залегания в пределах Сургутской опорной скважины

показан на рис. 77. Он может быть аппроксимирован законом

вида п = 0,6ехр (—0,00075#). Эта кривая необходима для

оценки

средней пористости каждой свиты отдельно. Очевидно, ясно,

что при более детальном опробовании свит (например, через

каждые 5 м) можно было бы построить и более надежные

функции

ф (п

, a, H) применительно к каждой свите, а не пользоваться

единым, общим для всей скважины соотношением. Однако в дан-

ном случае такая детальность не достигается, поэтому мы и огра-

ничились

оценками первичных мощностей с точностью до свит

использованием единого для всей скважины закона изменения

пористости пород с глубиной их залегания.

Таким образом, средняя пористость пород тюменской свиты

на глубине 2920 м (отметка средней части свиты) равняется 6,5%;

мощность тюменской свиты 316 м. Подставив все необходимые

данные в формулу

(248),

найдем, что разуплотненная (первичная)

мощность свиты ft* должна составить 471 м. Коэффициент уплот-

нения

пород свиты равен 0,33, что соответствует согласно пред-

ложенной нами классификации умеренно уплотняющимся поро-

дам.

Результаты расчетов по всей скважине сведены в табл. 22,

суммарная первичная мощность разреза Сургутской скважины

показана на рис. 78.

ТАБЛИЦА

Фактические данные и расчет первичных мощностей свит

мезозойско-кайнозойской алевро-глигшстой толщи

3 апад но- Сибирекой низменности

(по материалам Сургутской опорной скважины)

СВИТЫ

Мощность

свиты

Средняя пористость,

у/

/О

по факти-

ческим

данным

рассчи-

танная

по фор-

муле

Отметка

средней

части

свиты

Я,

Первич-

ная

мощность

свиты

h *, м

Талицкая

Ганькинская

Березовская

Кузнецовская

Покурская

Вартовская

Тарская

Куломзинская

Тюменская

106

833

389

150

367

316

27,3

27,2

21,3

21,0

18,9

12,0

11,6

8,7

5,43

32,5

30,5

28,5

28,0

20,0

12,0

10,0

8,0

6,5

802

873

957

1022

1455

2055

2315

2580

2920

127

103

117

32,5

1108

535

211

521

471

Важность

учета при восстановлении первичных мощностей

аналитического вида закона уплотнения алевро-глинистых пород

проиллюстрируем на следующих примерах.

Э.

Л. Гамильтон [75] при оценке первичных мощностей

раз-

резов

использовал соотношение

(244).

При этом данные по изме-

нению

пористости с глубиной получены не путем опробования,

экстраполяцией результатов компрессионных испытаний в лабо-

раторных условиях. Найденные Э. Л. Гамильтоном таким образом

значения пористости как

функции

от нагрузки (плотность мине-

ральной части принята 2,31 г/см

) нанесены нами на график

(см.

рис. 77, кривая 2). Можно видеть, что кривая изменения

Рис. 78. Разрез Сургутской

опорной скважины (/) в ин-

тервале глубин 690—3070 м и

тот

же разрез, пересчитанный

на первичные мощности свит

(//).

Цифры

на

разрезе

—

названия свит:

—

талицкая,

2 —

ганькинская,

з —

березовская,

4 —

кузнецов-

ская,

5 —

покурская,

6 —

вартов-

ская,

7 —

тар

екая,

8 —

куломзин-

ская,

5 —

тюменская.

—

алевролиты, аргиллиты, глины;

2 —

пески

песчаники;

3 —

поро-

ды

разуплотненном состоянии.

пористости с глубиной описывается па всем диапазоне глубин не за-

коном ехр

(—аН),

а, скорее всего, квадратичной экспоненциальной

зависимостью

вида ехр

(—аН

Если использовать формулу

(244)

то

для 500 м толщи глинистых сланцев при п

= 72% и п = 35%

получим ft* ^ 1000 м. Эту цифру и приводит Э. Л. Гамильтон.

Однако с учетом аналитического вида закона уплотнения в ин-

тервале 0—500 м п = 0,55 ехр (—0,00IiJ) по формуле (248) получнм

ft*

550 м.

работе Л. Л. Хайцера и И. В. Рязанова [318] приведен

пример расчета первичной мощности 220 м глинистой пачки.

При этом уже учитывался вид закона уплотнения — линейное

изменение пористости с глубиной залегания в интервале глубин

0—800 м. Эту аппроксимацию рекомендует И. Н. Нестеров [201]

на основе исследования большого числа разрезов мезозойско-

кайнозойского чехла Западно-Сибирской плиты. Формула, полу-

ченная И. И. Нестеровым, имеет вид

и =0,4-

6450

Применив свою методику расчета ft*, о которой мы уже упоминали,

учетом соотношения (249) Л. Л. Хайцер и И. В. Рязанов [318]

получили, что первичная мощность глинистой пачки составляла

334,5

м.

Если воспользоваться предлагаемым нами методом, то для

той же пачки получим: средняя пористость 33% (см. рис. 77,

кривая 1), H = 800 м, а = 0,00075 и, наконец, ft* = 265 м.

Различия в данном случае, скорее всего, объясняются разной

аппроксимацией закона изменения пористости с глубиной в диапа-

зоне 0—800 м.

Линейный

закон в данном случае, думается, мало

реален, тем более что график, на основе которого он получен

построен некорректно (см. рис. 71). Действительно, значения

пористости на этом графике от начала отсчета возрастают, в то

время как глубины от начала отсчета не возрастают, а убывают.

Такой, в целом незаконный прием построения графика и привел

к тому, что крайние ветви кривой оказались искаженными и лишь

центральная ее часть (глубины 800—2500 м) соответствует реаль-

ной картине изменения с глубиной пористости алевро-глиипстых

пород.

статье И. Н. Нестерова [201] можно найти иллюстрациго

расчета первичной мощности толщи согласно разработанной им

методике. Материалом служили разрезы мезозойско-кайнозонских

отложений центральной части Западно-Сибирской низменности.

интервале глубин 2150—2230 м суммарная мощность глип

составила

40 м. Начальная пористость глин принята И. Н. Не-

стеровым

равной 40%. В итоге первичная мощность глинистой

пачки составляет 60 м. Надо отметить, что для данного диапазона

глубин И. Н. Нестеровым также использовалась экспоненциаль-

ная зависимость пористости от глубины залегания.

Используем наш метод расчета. Имеем: H = 2190 м, h =

40 м, п = 12% (см. рис. 77, кривая 1). По формуле (248) на-

ходим h* = 57,8 м. Согласие в данном случае, как и следовало

ожидать, хорошее.

Таким образом, с учетом всех седиментологических поправок

первичные мощности осадочных толщ Я* должны рассчитываться

по формуле

где K = [1 + п ехр (аЯ)]/(1 + я); h — наблюдаемая мощность

пачки пород, свиты и т. д., которая подлежит разуплотнению;

— вероятность сохранения слоя; h — наблюдаемая мощность

единичного

слоя; т — число пачек или свит, на которые разби-

вается

разрез; п — число слоев в пачке или свите;

— число

интервалов разреза, для которых по дочитывается р.

Резюмируя изложенное, можно заметить, что перечисленными

здесь

задачами не исчерпываются все геологические

приложения

метода

мощностей. Однако проблема

оценки

первичных мощностей

осадочных толщ представляется наиболее ваянной. Кроме того,

она с большим основанием, чем другие задачи, решается на базе

конкретных седиментологических предпосылок, что уже обеспе-

чивает ее явную предпочтительность в рамках тематики данной

монографии.

п.

ЧАСТЬ

ПЯТАЯ

ВЫЯВЛЕНИЕ

СКРЫТЫХ

ПЕР1ЮДИЧН0СТЕЙ

СТРОЕНИИ

РАЗРЕЗОВ

ОСАДОЧНЫХ

ТОЛЩ

ГЛАВА

ОБЩЕМЕТОДИЧЕСКИЕ

СООБРАЖЕНИЯ

ВОПРОСЫ

ТЕРМИНОЛОГИИ

Геологам

хорошо известен факт повторяемости в разрезах

осадочных толщ определенного комплекса пород, что обусловли-

вает

особый тип строения такого рода разрезов, получивший

геологической литературе название «циклического», «ритмич-

ного»

и т. п. В одних случаях, как, например, в разрезах флишевой

и угленосной формации, характер «внутреннего» строения разрезов

виден, что называется, «на

глаз»;

в других закономерности чередо-

вания пород более сложные и без

применения

специальных мето-

дов выявить какие-либо устойчивые парагенезисы пород не

удается.

Следует отметить, что проблематика, связанная с изучением

строения разрезов осадочных толщ, в качестве важнейших соста-

вляющих включает в себя по

крайней

мере две самостоятельные

задачи: расчленение разрезов по комплексу признаков, которое

служит преимущественно целям последующей

корреляции

раз-

резов,

и выявление в строении разрезов скрытых закономерностей

периодического или квазипериодического характера. Эти задачи

не только представляют теоретический интерес, но и имеют важное

практическое значение, поскольку путем

изучения

упорядоченной

структуры стратифицированных осадочных образований рекон-

струируются ход процессов осадконакопления и обусловленное

им размещение полезных ископаемых.

Теоретической основой (па геологическом уровне) расшифровки

закономерностей строения и условий формирования осадочных

толщ

является установленная еще И. А. Головкинским [81]

связь

осадконакопления и колебательных движений земной коры,

которая фиксируется в литологическом разнообразии последова-

тельно накапливающихся слоев и одновременно в устойчивом

повторении в разрезе вполне определенных для данного генети-

ческого типа отложений «породных ассоциаций».

Задача выявления скрытых перио личностей в строении

разрезов

или, как мы ее в дальнейшем будем именовать, задача

рлтмолитологического анализа, в свою очередь, распадается на три

взаимосвязанные части и решается она, вообще говоря, независимо

от

задач расчленения разрезов, хотя последние задачи могут быть

реализованы и в результате ее решения. К первой части относится

исходная

понятийная

база,

от которой во многом зависит не

только геологическая интерпретация выделенных подразделений

разреза,

но и сама методика ритмолитолотческого анализа.

Ко

второй следует отнести геологическую модель, объясняющую

квазипериодическую структуру исследуемых разрезов, и обосно-

вание тех характеристик (не обязательно литологического состава

пород),

с помощью которых эта периодическая структура моячет

быть вскрыта. Наконец, к третьей части относится методика вы-

явления скрытых периодичностей, которая, как правило, является

математической. Зачастую эта методика оказывается не связан-

ной с первыми двумя этапами решения рассматриваемой задачи.

таких случаях интерпретация установленных закономерностей

представляется неубедительной. Лишь тогда, когда используемая

методика выводится из содерялательных геологических пред-

посылок, т. е. когда она является закономерным следствием

конкретной седиментологической модели, трактующей «внутрен-

нее»

строение разреза как функцию от взаимодействия тектони-

ческого и седиментологического факторов, управляющих нако-

плением осадков в прибрежной зоне моря, либо как функцию

только от условий седиментации, если анализу подвергаются

разрезы

глубоководных осадков, интерпретация выявленных за-

кономерностей приобретает геологическую значимость.

Ю.

А. Жемчужников [112, с. 8] отмечал: «если цикличность

или ритмичность — не случайная

«игра

природы», а определенная

закономерность осадкообразования, ... то она должна быть по-

всюду».

Нам остается только присоединиться к этим словам.

Рассмотрим далее более обстоятельно первую часть общей

задачи ритмолитологического анализа, т. е. определим основные

понятия, которые при этом используются. Все ведущие геологи,

занимавшиеся изучением строения осадочных толщ, придавали

большое

значение определению основных понятий. Такое требо-

вательное отношение к геологической терминологии объясняется

тем

обстоятельством, что, как правило, от употребляемого термина

зависит

и интерпретация полученных результатов, тесно связан-

ная со смысловой нагрузкой, вкладываемой в его опреде-

ление.

Применительно к задачам, рассматриваемым в данной части

работы,

целесообразно остановиться более обстоятельно на таких

понятиях и соответствующих им терминах, как «цикл и

циклич-

ность»,

«ритм и ритмичность», «период и периодичность», а также

чшовтор

и повторяемость». С той или

иной

степенью детальности

все

эти

понятия

неоднократно обсуждались в геологической лите-

ратуре,

а потому необходимость в их конкретизации в данной

работе

вызвана не новизной вопроса, а недостаточной (как это ни