Плитчатость в известняках. Некоторые свойства | Lithology.Ru - Литология.РФ :

Плитчатость в известняках. Некоторые свойства

 

УДК 553.98

Макаров В.П.

ПЛИТЧАТОСТЬ В ИЗВЕСТНЯКАХ. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА.

Российский государственный геологоразведочный университет, Москва.

117873, Москва, ул. Миклухо-Маклая,23, ком. 5-03

  

Плитчатость — способность (свойство) горной породы (известняков) распадаться на отдельные плитки по параллельным плоскостям [3]. В геологии плитчатость известна давно, встречается она в разных породах, в том числе и карбонатах. Н.К. Фортунатова [1] использовала представления о плитчатости при изучении известняков, в результате чего было обнаружено свойство плитчатости, имеющее, видимо, фундаментальное значение- связь мощности (П) плитчатости с составом известняков- с количеством нерастворимой примеси (НО). Это   

Рис.1. Примеры практических распределений плитчатости и НО. Числа около точек на диаграмме соответствуют номерам литогенетических типов отложений (ЛГТ) [1].

свойство отражено на диаграммах, построенных в координатах НО-П (пример - на рис.1 из [1, 2]). Хотя эти закономерности носят, похоже, универсальный характер, свойства их не известны. К тому же в понимании свойств плитчатости наблюдается некоторый застой. Так представления о плитчатости, сформулированные в 2000 г. [1], по прошествии 12 лет [2] совершенно не изменились. По [1, 2] «образование глинистых известняков происходило в момент приостановки карбонатонакопления, за счёт чего увеличивалось содержание глинистого материала, являющегося фоновым по отношению к карбонатонакоплению. При этом общее количество глинистого материала не увеличивалось. Поэтому содержание глинистого материала зависит от удалённости от источника карбоната, то есть чем дальше от рифовой системы, тем больше породы содержат глинистых минералов.» [2, стр.47]. Н.К.Фортунатова-крупнейший знаток карбонатов, поэтому в этих фразах чувствуется некоторая тенденциозность. Тезисы о постоянстве «общего количества глинистого материала» и роли процесса карбонатонакопления недостаточно определены и обоснованы. Этому противоречат реальные измерения наблюдаемого количества терригенного материала, отражённого распределением НО. Все эти колебания связываются с приливно–отливными течениями, которые изменяют не только количества карбонатов, но и терригенной примеси. В этом случае допустима физическая интерпретация колебания содержания НО.

Аппроксимация кривых на рис. 1 допускает три варианта:

1.Экспоненциальное распределение точек; так для точек с открытого  шельфа эта аппроксимация имеет вид   . Для неё коэффициент корреляции R2 = 0,7815, т.е. достаточно низкий.

2.Гиперболическое распределение, описываемое уравнением П = а/НО + А, где а и А некоторые постоянные. На рис.2А приведён пример подобного преобразования. В табл.1 отражены параметры этого уравнения для каждого типа отложений. Параметры большинства распределений близки друг другу, отличаются только данные по прибрежным отложениям. Поскольку А ≈ 0 и его можно рассматривать как ошибку построения, то, отбросив его, приходим к выражению

П∙(НО) ≈ a= const.                            (1) 

Рис.2. Пример распределений между величиной нерастворимого осадка (НО) и мощность плитки (L) в рифовых известняках.

  Таблица 1. Параметры уравнений связи плитчатости и количества нерастворимого осадка. 

№№ п.п.

Типы отложения

 

Параметры уравнения

П = a/(НО) + A

Параметры уравнения

П = В(НО)-b

а

А

R2

B

b

R2

1

Отложения склона

2,2504

0,0104

0,9905

1,9588

-0,884

0,9662

2

Рифы

2,1269

-0,0301

0,986

1,9997

-1,077

0,9905

3

Закрыт. шельф

1,924

0,0637

0,9961

1,9995

-0,966

0,9959

4

Открыт. шельф

1,8685

0,0901

0,9798

2,0289

-0,966

0,9929

5

Прибрежные отложения

0,9556

0,0794

0,9738

1,064

-0,864

0,9893

 На рис. 3 приведена сводная диаграмма распределений П и НО. Из этой диаграммы вырисовываются следующие особенности:

а) Концентрация НО наиболее высокая у прибрежных отложений, что вполне понятно. Максимальные значения нерастворимого остатка в других отложениях намного ниже. В отложениях закрытого и открытого шельфов содержания нерастворимого остатка примерно одинаковые. Наименьшее значение концентраций нерастворимого остатка в отложения континентального склона. По содержанию нерастворимого остатка все отложения можно распределить в ряд (по уменьшению величины НО): 

отложения прибрежные > шельфов (открытого ≈ закрытого) > рифов > склона (континентального).

Этот ряд соответствует порядку реального расположения отложений по возрастанию глубины бассейна, удалению от источника терригенного материала.                                           

 

 

Рис.3. Сводная диаграмма распределений П и НО по уравнению (1).Ш.- шельф, Закр. – закрытый, Откр. –открытый, Отлож- отложения,Прибр.- прибрежный.

б) Для не рифовых отложений значения параметров плиток попадают на общую диаграмму, обусловленную единым механизмом образования, который описывается общими для всех отложений параметрами П = 2,1269/НО - 0,0301.

в) Параметры плиток рифовых отложений ложатся на диаграмму с параметрами распределения П = 0,9556/НО + 0,0794.

Таким образом, величина плитчатости определяется количеством и расположением механических примесей в теле известняка. В простейшем случае плитка имеет форму прямоугольного параллелепипеда с тремя измерениями: по высоте (мощности, толщине) П, ширине Ш и длине Д (Ш и Д не изучены), две последние образуют площадь S основания плитки. Объём плитки V = П∙S, где S ≈ Д ·Ш. В нефтяной геологии эти плитки фиксируются по скважинам, в которых измеряется только толщина П плитки в м. По определению НО = mприм∙100%/mизв; mприм -масса нерастворимого остатка примеси в пробе объёмом Vпр = П∙S; mизв – масса известняка там же. 

а). Полагая, что объём пробы соответствует объёму плитки, то НО= 100∙ dприм/dизв, где dприм –объемная плотность нерастворимого остатка примеси при равномерном распределении примеси в объёме плитки. Вставляя эти соотношения в исходное уравнение, получаем П∙(100∙ dприм/dизв) = a. Поскольку величина dприм/dизв безразмерная, то- есть, [dприм/dизв] = 0, то размерность [П] = [a/100] = [м]. Отсюда размерность [a] = [метропроцент]. В рудной геологии этот параметр качественно отражает интенсивность процесса рудообразования.

б).Так как mизв = dизвVизв, то, подставив его в исходное уравнение, имеем П∙(mприм/mизв) = П∙mприм/(dизвVизв) = a/100, или

П∙mприм = (a/100) ∙ dизвVизв.                                                                                   (2)

Далее 100mприм = a∙ dизвSизв, где Sизв=Vизв/П –площадь, которую занимает блок (плитка). Полагая, что масса примеси численно равна её весу, то mприм/Sизв = Pприм - это парциальное давление, которое оказывает примесь на занимаемую плиткой площадку. Следовательно, Pприм = 0,01∙аdизв. Это соотношение также позволяет оценить объёмную плотность нерастворимого остатка по формуле dприм = а∙dизв/100П. В табл.2 приведены оценки величин парциальных давлений, а также объёмной плотности нерастворимой примеси, полагая, что в среднем для плотного известняка dизв ≈ 2600 кг/м3. Приведена также средняя доля глинистой примеси от количества той глины, которая занимала бы весь объём плитки при условии, что плотность глины (каолин) равна 2200 кг/м3.

3.Степенная функция (рис.2Б) типична для всех диаграмм. Параметры распределений приведены в табл. 1, откуда видно, что величины R2 несколько больше таковой гиперболического распределения. Общая зависимость имеет вид П = В(НО)-b, где b и В – коэффициенты. В среднем (таб.1) в первом приближении b ≈1, откуда можно записать П·НО≈ В, т.е. имеем ту же связь.

Таблица 2. Оценка величин парциального давления и плотности примесей в плитках.  

№№ п.п.

Типы отложений

а

dизв,

кг/м3

услов-ное

Pприм- пар-циальное

давление, кг/м2

Объёмная плотность примеси кг/м3

% примеси от общего количества глины

1

Отложения склона

2,2504

2600

60,8

391,9

17,8

2

Рифы

2,1269

2600

57,4

47,68

2,2

3

Закрытый шельф

1,924

2600

51,9

41,45

1,9

4

Открытый шельф

1,8685

2600

50,4

113,9

5,2

5

Прибрежные отложения

0,9556

2600

25,8

628,2

28,6

 По данным таб.2 из описываемого множества отложений выделяются прибрежные отложения за счёт высоких значений объёмной плотности НО. В остальных случаях параметры обоих распределений связаны уравнением B = -0,1433a + 2,2893.

 Рис.4. Результаты экспериментального влияния количества нерастворимого остатка на свойства известняков [4].Пр -пористость, Тв -твёрдость.

Эти распределения представляют одну и ту же зависимость, которая выявляется, если провести логарифмирование функций. Их сравнение приведено в табл.1. Различие В и а обусловлено, скорее всего, точностью аппроксимации этих зависимостей.

4.Поскольку эти примеси разрушают связи между частицами кальцита, главного компонента известняка, то чем больше этих примесей, тем больше связей разрушено, что существенно сказывается на свойствах известняка. На рис. 4 приведены результаты экспериментов Н.Н. Павловой [4] по анализу влияния количества нерастворимого остатка на физические свойства известняка. По этим данным наличие НО уменьшает твёрдость исходной породы, её пористость и коэффициент пластичности известняка, т.е. порода становится менее прочной, что увеличивает вероятность раскалывания её под действием нагрузки, влияя на размеры образующихся плиток. Поскольку плитчатость фиксирует какие-то плоскости, то максимальные концентрации примесей, видимо, располагаются в теле по некоторым скрытым или явным поверхностям (скрытая слоистость), вызванных обогащением глиной или часто наличием тонких глинистых пропластков (диастем) [1], хотя минеральный состав НО и её распределение в объёме плитки не изучены. Эта скрытая периодичность наносов характеризует возвратно-поступательное движение береговой волноприбойной зоны. Рис.1 показывает распределение НО, называемое дифференциальным распределением. Оценим интегральное распределение; для этого построим гипотетический обобщённый пласт следующим образом: расположим плитки так, как это показано на рис. 1, и последовательно сложим их размеры. Тогда получится пласт мощностью H= ΣП. На рис.5 даны примеры распределений НО вдоль H, т.е. по вертикали. Такие распределения рассмотрены в [5, 6]. Выявляются две особенности этих диаграмм:

-как правило, максимальное количество нерастворимого остатка обратно пропорционально мощности обобщённого пласта известняков. Это, возможно, связано с обилием механической примеси, подавляющей рост организмов и не дающей развиваться им в полной мере;

-чётко выделяются две области, разделённые нами штриховой линией. Так как перенос механических взвесей происходит в водных потоках, то эти изменения НО, на первый взгляд, можно рассматривать как области изменения скорости потоков: при переходе из области 1 (ближней зоны) в область 2, приуроченной к удалённой части пласта, происходит резкое уменьшение скорости потока, что ведёт к выпадению значительной массы взвеси.

 

Рис.5. Распределение количества НО вдоль мощности обобщённого пласта.

В основу интерпретации положены представления о динамике наносов (русловых потоков), описанные в работах [5, 6] и касаемые свойств пограничного слоя обтекаемого тела в отсутствии влияния гидрокарбонатов. М.А. Великановым показано, что для очень мелких по размерам частиц осадков в грубом приближении типичен механизм турбулентной диффузии [6, стр.85] , т.е. движение из области с большим количеством осадков в область с меньшим его количеством. Уравнение перемещения наносов имеет вид

,

где s- количество наносов, переносимых потоком. Для движения типичен логарифмический профиль скорости переноса наносов, т.е. скорость движения воды определяется уравнением [6, стр. 138]

где u – скорость движения потока, g- ускорение силы тяжести, h- высота расположения частицы относительно дна потока, i – уклон, y – ось координат, направленная перпендикулярно пограничному слою; χ – смоченный периметр, δ- мощность пограничного слоя. На рис. 6, заимствованном из [6, с. 151], приведены примеры проверки распределений наносов (мутности) в эксперименте на лотках (гидравлических). Здесь ω – гидравлическая крупность, т.е. минимальная скорость, сдвигающая зерно заданного размера; β –«объёмное содержание наносов, которое данный поток при данных гидродинамических характеристиках способен транспортировать во взвешенном состоянии» [6, стр. 122]. Сопоставление этих данных показывает, что распределение отложенных наносов по рис.6 аналогично распределениям на рис.1. В пограничном слое распределение скоростей описывается уравнением [5, стр.129]  

                     (2)

где u и uδ - скорости движения общего потока и потока в пограничном слое, n = f(Re), Re – критерий Рейнольдса, характеризующий вязкость взвеси. Если Re →∞, то n = ∞. В ламинарной жидкости n ≈1, т.е. вязкость минимальна. В соответствии с уравнением (2) в [5, стр.129] построен график (рис.7Б), и для сравнения для  изученных глин в относительных координатах - рис.7А. Сопоставление показывает их полное сходство, что позволяет предположить, что в обоих случаях условия формирования этих зависимостей одинаковые. Следовательно, перемещение и отложение наносов открытого шельфа, как и других отложений, происходило в приграничных условиях турбулентного течения воды.

 Рис.6.Распределение наносов по экспериментальным данным (промывка в лотке). А- ω – 8,51 см/сек; β -100. Б- ω – 8,51 см/сек; β -50.

 

 Рис.7. Распределение скоростей в потоке вблизи пограничного слоя.

По современным представлениям равнобочная гипербола описывается равнением XY = f2/2, где f – расстояние от вершины гиперболы до центра осей координат. Сопоставление с рис.6 показывает, что величина f обратно пропорциональна общему объёму переносимых наносов. Поскольку а = f2/2, то эту же информацию даёт и параметр а в уравнении 1. Тогда согласно таб.2  наибольшее количество переносимых наносов характерно для зоны береговых отложений (минимальное значение а), зона же рифовых отложений отличается минимальным количеством этих наносов.

Таким образом, поведение механической примеси аналогично типичному поведению наносов в водных потоках, независимо от наличия в воде растворённых карбонатов. Это противоречит мнению, что «…содержание глинистого материала зависит от удалённости от источника карбоната, то есть чем дальше от рифовой системы, тем больше породы содержат глинистых минералов.» [2, стр.47]. Следовательно, не особенности миграции карбонатов в растворе играют существенную роль в распределении пород, а наоборот количество взвешенных механических осадков, создающих повышенную мутность, влияет на особенности образования известняков. Количество механической примеси полностью зависит от удалённости от её источника, т.е. от береговой зоны. Самоё же распределение наносов, отражаемое распределением плитчатости, характеризует скрытую слоистость известняков и выявляет возвратно-поступательное движение водных потоков в волноприбойной береговой зоне. Возможно, что это движение вызвано климатическимиколебаниями в этой зоне.

В заключение отметим, что, несмотря на значимость плитчатости для понимания условий формирования известняков, изучена она довольно поверхностно. Не нашли отражения следующие вопросы:

-распределения Mg во всех типах известняков. Эта информация позволяет оценить характер изменения температуры отложения известняков;

- нет данных о составе минеральной примеси (нерастворимого остатка), характере его распределения в плитках различных ЛГТ;

-нет анализа распределения плитчатости по вертикали в конкретных геологических колонках известняков.

 Литература.

1.Фортунатова Н.К. Седиментологическое моделирование карбонатных осадочных комплексов. М.: НИА- Природа, 2000.

2.Фортунатова Н.К., Копилевич Е.А., Афанасьев М.Л. Технология седиментационно-ёмкостного моделирования природных резервуаров нефти и газа. М.: изд-во ВНИГНИ, 2012.

3. Геологический толковый словарь.URL: http://www.dicdic.ru/geo/10744.

4. Багринцева К.И. Трещиноватость осадочных пород. Москва, Недра, 1982.

5. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Т.1. М.: Гостехтеориздат. 1951. 323 с.

6. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Т.2. М.: Гостехтеориздат. 1955. 323 с.