Главная      Учебники - Разные     Лекции (разные) - часть 20

 

Поиск            

 

Петрофизика

 

             

Петрофизика

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЕТРОФИЗИКА

Учебно-методическое пособие для слушателей курсов повышения квалификации специальности «Геофизика» по программе «Методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых в промысловой и разведочной геофизики»

Казань

2009


Г.С.Хамидуллина -составитель

Петрофизика: пособие для самостоятельного изучения лекционного курса слушателей повышения квалификации специальности «Геофизика». – Казань: Казанский государственный университет, 2009. 90с.

Настоящее учебно-методическое пособие преднозначено для слушателей курсов повышения квалификации специальности «Геофизика», изучающих курс «Петрофизика», имеющих высшее негеологическое образование. Пособие может использоваться также студентами дневного и заочного отделений, обучающихся по специальности «Геофизика, но только как составная часть полного курса «Петрофизика». В работе приведены сведения о плотностных, упругих, магнитных, электрических, тепловых и радиоактивных свойствах химических элементов, минералов и горных пород, нефти и газа.

©Казанский государственный

университет, 2009

©Хамидуллина Г.С., 2009


Оглавление

Введение

5

Глава 1. Методика петрофизических исследований

6

1.1. Цели и задачи петрофизики

6

1.2. Методы изучения физических свойств

9

1.3. Характеристика основных геофизических свойств горных пород.

9

1.4. Статистические методы обработки определений физических свойств.

11

1.5. Построение петрофизических карт и разрезов

13

Контрольные вопросы к главе 1

17

Глава 2. Плотность и пористость минералов и горных пород

18

2.1. Плотность и пористость физических тел

18

2.2. Плотность минералов

20

2.3. Плотность магматических пород

25

2.4. Плотность метаморфических пород

26

2.5. Плотность и пористость осадочных пород

30

2.6. Плотность нефтей

36

2.7. Определение плотности

36

Контрольные вопросы к главе 2

37

Глава 3. Упругие свойства минералов и горных пород

38

3.1. Упругие параметры физических тел

38

3.2. Скорость упругих волн и упругие модули химических элементов и минералов

40

3.3 Скорости упругих волн в магматических и метаморфических породах

42

3.4. Скорости упругих волн в осадочных породах

45

3.5. Методы изучения упругих свойств

47

Контрольные вопросы к главе 3

48

Глава 4 Теплофизические свойства минералов и горных пород

49

4.1 Теплофизические параметры веществ и методы их измерения

49

4.2 Теплофизические параметры элементов, минералов и горных пород

50

4.3.Теплофизические параметры горных пород

52

Контрольные вопросы к главе 4

53

Глава 5. Магнитные свойства минералов и горных пород

54

5.1. Магнитные параметры физических тел

54

5.2. Магнитные свойства химических элементов и минералов.

59

5.3. Магнитные свойства горных пород

61

5.4. Магнитная восприимчивость нефти

64

5.5. Палеомагнитная характеристика горных пород

64

Контрольные вопросы к главе 5

65

Глава 6. Электрические свойства минералов и горных пород

66

6.1 Электрические свойства веществ

66

6.2. Удельное электрическое сопротивление элементов и минералов

68

6.3. Основные факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление минералов и горных пород.

69

6.4. Электрические свойства горных пород

72

6.5. Электрические свойства залежи нефти и газа

73

6.6. Методы определения электрических свойств горных пород

74

Контрольные вопросы к главе 6

74

Глава 7. Ядерно-физические (радиоактивные) свойства минералов и горных пород.

75

7.1. Естественная радиоактивность

75

7.2. Радиоактивность минералов и горных пород.

78

7.3. Искусственная радиоактивность, используемая в ядерной геофизике.

78

Контрольные вопросы к главе 6

81

Глава 8. Петрофизическое моделирование

82

8.1. Понятие о петрофизической модели

82

8.2. Формирование петрофизической модели

83

8.3. Выделение структурно-вещественных комплексов

84

Контрольные вопросы к главе 8

89

Список используемой литературы.

90


Введение

Учебно-методическое пособие предназначено для слушателей курсов повышения квалификации специальности «Геофизика». В учебно-методическом пособии излагаются теоретические основы общефизических свойств горных пород: плотностных, упругих, тепловых, магнитных, электрических и ядерно-физических. В составлении учебно-методического пособия использовалась хрестоматийная литература по курсу «Петрофизика» ведущих отечественных геофизиков и петрофизиков: Кобрановой В.Н., Дортман Н.Б., Зинченко В.С., Вахрамеева Г.С. и др. В первой главе рассматриваются методы изучения петрофизических параметров и методы статистического анализа петрофизических данных. В последующих главах со второй по седьмую рассматриваются основные физические свойства. В главах сначала рассматриваются основные свойства веществ и минералов (минеральных ассоциаций) и завершаются обзором общих свойств горных пород и нефтей. Восьмая глава посвящена петрофизическому моделированию. В конце каждой главы предложены контрольные вопросы, на которые слушателям необходимо ответить в письменном виде.

Глава 1. Методика петрофизических исследований

1.1. Цели и задачи петрофизики

Для того чтобы правильно истолковывать измеренные физические поля, необходимо знать физические свойства среды, обусловившие физическое поле. То есть необходимо изучать физические свойства горных пород, слагающий изучаемый объект. Физические свойства это характерные качества, присущие веществам – твердым, жидким и газообразным: это плотность, упругость, магнитность, электропроводность, теплопроводность, радиоактивность и др /4,6,8/.

Исследование физических свойств веществ являются задачей физики твердых тел, жидкостей и газов, а также ее частных наук как магнетизм, электричество, и др.

В различных областях науки и техники изучаются разные физические свойства и параметры веществ, главным образом с целью их использования в промышленности.

Исследования физических свойств в геологии и геофизики, ведущиеся для изучения горных пород и руд, являются специфическими и характеризуются своими задачами, теорией, методикой. Эта область знаний выделена в науку петрофизику. Петрофизика изучает, главным образом, свойства геологических образований (пород) создающие физические поля, которые могут быть измерены геофизическими методами. Таким образом, можно считать, что прикладная геофизика базируется на такой науке как петрофизика.

Понятие «Петрофизики» было введено немецким геофизиком Ф. Фрёлихом в 1953 году, как прикладной раздел наук о Земле. Петрофизика находится на стыке таких наук как геология (петрология, литология, гидрогеология, инженерная геология и др.), геофизика (глубинная, региональная, разведочная) и физика вещества. В «западной» терминологии петрофизика имеет более широкое понятие и включает так же интерпретацию данных геофизических исследований скважин (ГИС).

Петрофизика предусматривает изучение /8/:

· физических величин (проницаемость, электропроводность, радиоактивность и др.), включающие понятия этих величин, единиц измерений;

· физических и физико-химических процессов, происходящих в горных породах, во время которых проявляется их физические и физико-химические свойства;

· предельные, средние, медианные и модальные значения (вариационные ряды) петрофизических величин и характеристик для типов и групп пород;

· связей петрофизических величин между собой и с другими величинами;

· локальных и региональных площадных изменений петрофизических величин, связанных с особенностями геологического строения тел или регионов, процессами магматизма, седиментации, деятельностью подземных вод, залежами полезных ископаемых;

Петрофизическая характеристика геологических образований составляет основу геофизики /4,6,8/. Характер распределения значений отдельных петрофизических величин в пределах геологических тел необходимо знать как для правильного проектирования полевых геофизических исследований, так и для истолкования их результатов. Важнейшее значение петрофизика имеет при геофизических исследованиях скважин, когда по комплексу измеряемых в скважине физических величин определяют вскрытые породы, выделяют среди них полезные ископаемые и оценивают их запасы.

Петрофизика применительно к геологическим наукам это область исследований физических свойств горных пород и руд с целью изучения геологического строения отдельных регионов, поисков и разведки полезных ископаемых.

Основными разделами петрофизики являются /4,6,8/:

· исследования природы каждого из многочисленных физических свойств горных пород, зависимости их от факторов различной природы;

· построение физической модели среды как непосредственно через измеренные свойства, так и по данным физико-математической интерпретации результатов различных геофизических методов;

· построение физико-геологических моделей среды (ФГМ) в ходе геологического истолкования геофизических материалов.

Физические свойства по природе и характеру закономерных изменений подразделяются на три группы (рис.1.1) (Дортман Н.Б., 1992):

I группа – плотность, упругость (скорость упругих волн, упругие модули), температура плавления – эти свойства обусловлены электронным строением и массой ядер атомов;

II группа – электрическая проводимость (и электрическое сопротивление), магнитная восприимчивость и намагниченность, теплопроводность и другие тепловые свойства – связаны с особенностями строения электронных орбит;

III группа – радиоактивные свойства – зависят от строения атомных ядер.

В общем случае периодичность изменения атомных радиусов элементов в периодической системе Д.И.Менделеева определяет периодичность изменения физических свойств I и II групп, направленное возрастание массы атомов обуславливает направленное изменение свойств II группы.

Рис.1.1. Схема связи физических свойств пород с атомным строением химических элементов

Комплекс работ при изучении петрофизических характеристик района (или целого региона) включает следующие виды исследований (Дортман Н.Б., 1984):

1. Определение физических свойств (плотности, намагниченности, скорости упругих волн, электрических свойств, радиоактивности, теплопроводности) различных геологических тел (однородных по физической характеристике) по геофизическим данным in situ (на поверхности и в скважинах).

2. Лабораторные исследования физических свойств горных пород и полезных ископаемых совместно с изучением петрографических и минералогических особенностей, включающих:

· Отбор образцов горных пород, в том числе коллекторов нефти и газа, руд, углей.

· Измерение физических свойств; петрографические, минераграфические определения;

· Статистическая обработка данных.

3. Изучение физических свойств горных пород на установках высокого давления и температуры.

4. Построение петрофизических карт и петрофизических разрезов на основании петрофизической классификации пород региона.

1.2. Методы изучения физических свойств

Физическую характеристику можно определить по полям, измеренных на поверхности земли, в воздухе, в скважинах, по физическим свойствам образцов горных пород. Аэро- и наземные съемки позволяют получить физическую характеристику пород в естественном залегании на различных глубинах, в том числе на глубинах недоступных бурению. Геофизические исследования скважин (ГИС) устанавливают характер линейного распределения исследуемых свойств в естественных условиях /4,6,8/.

Лабораторные методы позволяют получить высокую точность определения физического параметра в образце. Свойства образца при этом не всегда точно отражают свойства породы в естественном залегании. Так как физическое состояние образца в лабораторном эксперименте не соответствует породе, находящейся в естественном залегании в условиях обводненности, механических и тепловых напряжений и т.д. Кроме того, образец имеет различные приделы изменения состава. Играет роль и масштабный коэффициент, т.е. несовпадение малых объемов изучаемых образцов (истинные свойства) и больших объемов массивов (пластовые и осредненные свойства толщ) горных пород. Поэтому величины физических свойств, измеренных на образцах в лабораторных условиях и в естественном залегании, отличаются.

Однако большинство геологических (литология, механический состав, глинистость, пористость, статические деформационно-прочностные, некоторые водные свойства), а также физических (плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные) свойств горных пород определяются в лабораторных условиях на образцах, взятых из обнажений, горных выработок и скважин (керн).

Некоторые свойства, например, деформационно-прочностные, магнитные (каппа-метрия), упругие (ультразвуковые) и др., определяются на опытных площадках, где коренные породы выходят на поверхность.

Водные свойства изучаются с помощью специальных гидрогеологических исследований (наливы воды в шурфы, откачки ее из скважины).

1.3. Характеристика основных геофизических свойств горных пород.

Свойства горных пород, получаемые в результате интерпретации данных геофизических методов исследования, необходимы в начале для петрофизического, а в последствии для геологического истолкования результатов и определения геологических свойств. Остановимся на краткой характеристике основных физических свойств горных пород /9/.

Латеральные (плановые) изменения плотности горных пород приводят к появлению гравитационных аномалий, или аномалий приращения силы тяжести. Плотность разных пород изменяется в диапазоне от 1 до 3,5 г/см3 в зависимости от плотности минерального скелета, пустотности (пористости и трещиноватости), водогазонасыщенности, а также других факторов.

Все горные породы, находящиеся в магнитном поле, намагничиваются по-разному, так как обладают различными магнитными свойствами. Основным магнитным параметром горных пород является магнитная восприимчивость (каппа), представляющая собой коэффициент пропорциональности между интенсивностью намагничивания и напряженностью намагничивающего геомагнитного поля. Есть еще физическая величина как намагниченность, которая является магнитным моментом единицы объема и состоит из двух компонентов- индуцированного и остаточного магнитных моментов.

Большинство методов электроразведки основаны на определении удельного электрического сопротивления, измеряемого в Ом*м, или обратного ему параметра - электропроводности, измеряемой в сименсах (См). В практике электроразведки сопротивление часто определяют по кажущемуся сопротивлению (КС или ρ k ), являющемуся сложной функцией параметров геологического разреза.

Главными факторами, влияющими на величины продольной скорости и поперечной скорости, являются: наличие структурных связей в породах жестких и отсутствие связей в рыхлых песчано-гравийных породах. Скорости увеличиваются с уменьшением пустотности (первичной пористости и вторичной трещиноватости), а для продольных волн - и водонасыщенности. Скорости поперечных волн не зависят от того, чем заполнены пустоты: воздухом или водой, а в жидкостях они не распространяются.

В терморазведке измеряемыми параметрами являются температура горных пород в градусах Цельсия (С°) или Кельвинах (К), градиенты температуры и величины теплового потока из земных недр в Вт/м2 . По ним рассчитываются основные тепловые (теплофизические) свойства: теплопроводность (в Вт/К*м), теплоемкость, температуропроводность.

Ядерно-физические свойства горных пород разделяются на естественные (радиоактивность) и искусственные (гамма-лучевые и нейтронные). Среди более 200 радиоактивных элементов наиболее распространены в земной коре: уран (U) - ~2*10-4 %, торий (Th) - ~7*10-4 % и калий-40 (К) - ~1,8 % (вместе около 99 %). Количественную оценку радиоактивности в радиометрии чаще всего рассчитывают в единицах уранового эквивалента: 1 eU = 1 Ur = 10-4 % U. Урановый эквивалент - это такая концентрация (масса) естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), которая эквивалентна излучению урановой руды с концентрацией урана 10-4 %. Радиоактивность горных пород определяется радиоактивностью минералов, содержащих ЕРЭ.

Гамма-лучевыми и нейтронными свойствами горных пород определяется их реакция при облучении их гамма-лучами или нейтронами разных энергий и длительности. По эффектам взаимодействия с ядрами и электронами атомов минералов, приводящим к замедлению, рассеянию и поглощению нейтронов, можно судить о химическом составе элементов, а также о плотности, пористости.

1.4. Статистические методы обработки определений физических свойств.

Статистическая обработка материалов состоит из двух этапов: предварительной обработки и математического анализа. Предварительная обработка заключается в составлении каталогов данных о составе и физических свойствах пород. Математический анализ позволяет установить основные закономерности изменения физических параметров и выделить петрофизические группы и ассоциации /4,8/.

При выделении петрофизических групп пород применяется метод группирования по наиболее общим и устойчивым признакам: генетическому типу, составу, текстурно-структурными особенностями, диагенезу и метаморфизму.

Для выяснения распределения физического параметра в пределах предварительно выделенной петрофизической группы используют вариационный ряд, где каждому значения параметра x или интервалу его изменения ΔN соответствует определенная повторяемость значений параметра (частота).

Оптимальная ширина интервала может быть вычислена по формуле Стерджесса :

, (1.1)

где xmax , xmin – пределы распределения параметра; N – число значений в распределении.

Для характеристики петрофизической группы требуется не менее 20-30 образцов. Приведенный пример (таблица 1.1 и рис.1.2) взят из «Справочника геофизика. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых» под ред. Н.Б.Дортман, 1984г.

Таблица 1.1.

Пример составления вариационного ряда плотности пород

Интервал изменения

плотности,

г/см3

Частота

ΔN

Частость

, %

Накопление частоты

ΣΔN

Накопление частоты

,

%

2,5-2,52

2,52-2,54

2,54-2,56

2,56-2,58

2,58-2,6

2,6-2,62

2,62-2,64

0

7

19

33

24

6

0

0

8

21

37

27

7

0

0

7

26

59

83

89

89

0

8

29

66

93

100

100

На вариационных кривых частость обозначена через N

На основании вариационного ряда может быть построена вариационная кривая и гистограмма или кривая накопления частот (рис.1.2).

Рис.1.2. Вариационные кривые и гистограммы распределения плотности

Форма вариационной кривой или гистограммы служат основным качественным критерием для выяснения правильности выделения петрофизической группы. Распределение параметра плотности и скорости распространения упругих волн в породах, не подвергшихся вторичным изменениям, обычно подчиняются нормальному закону, магнитная восприимчивость и намагниченность – логнормальному. Нормальный закон описывается функцией:

, (1.2)

где x – значение параметра; - среднее арифметическое значение параметра; St - стандарт распределения параметра.

Логнормальный закон описывается функцией:

, (1.3)

где y – значение параметра; - среднее арифметическое значение логарифмов параметра; St - стандарт распределения логарифмов параметра.

С целью проверки соответствия распределения тому или иному закону используют кривые накопленных частот, построенные в специальном вероятностном масштабе. В случае соответствия исследуемого распределения нормальному или логнормальному законам график будет выражаться прямой линией. Резкое несоответствие является показателем неоднородности совокупности/8/.

Вариационные кривые распределения петрофизических свойств пород, состоящих их нескольких максимумов, каждый из которых соответствует той или иной группе.

1.5. Построение петрофизических карт и разрезов

В данном параграфе представлены основные требования и положения для составления петрографических карт и разрезов рекомендованные «Справочником геофизика. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых» под ред. Н.Б.Дортман, 1984г.

Наиболее полное и наглядное представление о распределении физическох свойств геологических образований в дают карты:

1) петрофизические, отражающие распределение в плане петрофизических групп горных пород (или геологических формаций);

2) физических параметров, показывающие значения физических параметров пород (толщ) без учета их типа и состава;

3) специализированные – карты приведенных аномальных значений физических свойств горных пород, палеомагнитные и др.

Петрофизические карты

В основе легенд петрофизических карт лежит петрофизическая классификация горных пород, т.е. подразделение и группирование по физической характеристике пород различных генетических типов и петрографического (литологического) состава.

Классификацию пород района проводят с учетом их возраста или структурно-формационных комплексов. Карты строят раздельно – петроплотностные, петромагнитные, петроскоростные и др.

При построении карт стремятся:

· возможно полнее показать физическую латеральную неоднородность геологических образований района;

· отразить наиболее существенные закономерности изменения физической характеристики пород разного генезиса и состава;

· с наибольшей детальностью показать физическую характеристику рудоносных, угленосных и нефтегазоносных формаций и зон околорудных изменений (на крупномасштабных картах).

Петрофизические карты или карты физических свойств пород (петроплотностная, петромагнитная, петроэлектрическая, петроскоростная и др.), полученные по данным лабораторных измерений на образцах, являются фактической основой для петрографического (литологического) картирования изучаемой площади.

Масштабы карт определяются густотой точек наблюдения (средние расстояния между точками должны быть не больше 1 см в масштабе карты). Сечение изолиний на картах зависит от точности съемки и должно быть в 3 раза больше среднеквадратических или арифметических ошибок наблюдений.

Рекомендуется группировать физические свойства по интервалам их изменения буквенными индексами в алфавитном порядке.

Так, для плотности при σ<2 г/см3 вводится индекс а , далее с ростом σ на 0,05 г/см3 группам придаются индексы в виде букв русского алфавита: при σ = 2-2,05 (б ), 2,05-2,10 (в ), 2,10-2,15 (г ), ..., >3,2 (я ).

Магнитная восприимчивость большинства ферро- и парамагнитных пород с χ < 100*10-5 ед. СИ обозначается заглавной буквой А , а далее обозначают: при χ = 100-300 (Б ), 300-700 (В ), 700-1500 (Г ) и т.д. (с увеличением интервала группирования вдвое при χ >40000*10-5 ед. СИ (К )).

Для скоростей продольных волн вводится латинский алфавит: при Vp = 2,0-2,3 км/с (а ) и далее скорости с интервалом 0,3 км/с обозначаются 2,4-2,7 (b ), 2,8-3,1 (с ), 3,2-3,5 (d ), ..., 7,6-7,9 (v ).

При необходимости дается более дробная индексация: a1, a2, ..., A1, A2, ..., d1, d2 и т.п.

Один или несколько интервалов группирования физических свойств, соответствующие определенным литологическим или стратиграфическим образованиям на геологической карте, заштриховываются или закрашиваются в соответствии с правилами оформления геологических карт. При достаточном количестве и качестве геологических данных, в том числе петрографических определений образцов, ведется петрографическое (литологическое) группирование пород по физическим свойствам.

Сначала выделяются основные генетические типы пород: магматические (интрузивные и эффузивные), метаморфические и осадочные, затем их подразделения (ультраосновные, основные, кислые, карбонатные, песчано-обломочные, глинистые) и, наконец, при достаточной информации дается более точный петрографический (литологический) состав.

Наиболее важно на картах выделить полезные ископаемые, характеризующиеся экстремальными значениями физических свойств. :

Окраска карт

Окраска карт подчинена принципу – показать наиболее выразительными средствами основное их содержание. Для петроплотностной карты принимается гамма цветов, отражающая плотность: сине-зеленые – желтые – желтые – коричневые - темно-коричневые. Интенсивность окраски усиливается от среднего значения плотности пород (2,5 г/см3 ) в сторону ее уменьшения (до 1,8 г/см3 ). И увеличения (до 3,2 г/см3 ). Гамма цветов на петромагнитной карте более многообразна. Различным цветом показывается химический (литологический) состав пород:

Розово-красным – кислый;

коричневым – средний и высокоглиноземистый;

зеленым – основной;

фиолетовым – ультраосновной;

желтым – щелочной;

желто-оранжевым – песчаный;

голубым – карбонатный;

серым - глинистый и угленосный.

Увеличение интенсивности окраски каждого цвета соответствует повышению намагниченности пород. Например, слабомагнитное габбро окрашиваются в светло-зеленый цвет, магнитные – в зеленый, сильномагнитные – в темно-зеленый. Разный характер окраски обусловлен различным содержанием карт; наиболее информативно сопоставление плотности пород разного состава и намагниченности пород близкого состава.

Карты физических параметров

Карты плотности, магнитной восприимчивости, намагниченности, радиоактивности и других параметров строят по данным измерения образцов или по данным расчетов с использованием геофизических карт. Геологическая и петрофизическая характеристика пород на картах не отражается; она может быть приведена в обобщенных показателях.

Карты плотности и магнитной восприимчивости для складчатых районах и древних щитов строят в изолиниях по значениям параметра в каждой точке или по средним значениям для площади с определенным радиусом. Для платформенных областей карты строят в изолиниях параметров (преимущественно плотности) по средним значениям в целом для осадочного покрова или отдельных стратиграфических единиц.

Основное значение этих карт – использование при интерпретации гравитационного и магнитного полей с целью изучения глубинного строения земной коры. Кондиционность карт определяется равномерностью расположения точек исходных данных, а также проведением изолиний с учетом точности измерения параметров, возможности случайных ошибок из-за использования данных по выветрелым образцам.

Специализированные карты

Специализированные карты строят по величине параметров, выраженных в статистических характеристиках, в частности в отклонениях от среднего значения в единицах стандарта. Например, при построении карты приведенных аномальных значений плотности измеренное значение плотности σ переводится в значение плотности, нормированное по стандарту:

,

где - среднее арифметическое значение плотности данной группы пород; St 0 – стандарт распределения плотности данной группы пород.

Аномальными значениями петрофизического параметра считаются отклонения от среднего более чем на три стандарта. Карты строят для каждого параметра для отдельных участков. Они могут совмещаться и с петрофизическими картами.

По данным палеомагнитных исследований строятся палеомагнитные карты. Они отражают возраст пород по палеомагнитным данным, прямое или обратное направление вектора древней (синхронной) остаточной намагниченности, положение древнего магнитного полюса.

Петрофизические разрезы

Петрофизические разрезы дают представление об изменении физических свойств горных пород с глубиной залегания. Отличием петрофизических разрезов от геолого-геофизических является предварительное выделение петрофизических групп пород, т.е. дифференциация геологических комплексов (серий, свит) по петрофизической характеристике, оценке фациальных, структурных и текстурных изменений каждой петрофизической группы /9/.

Петрофизические разрезы условно подразделяются на:

· картировочные петрографические разрезы, которые строят в процессе геологической съемки с использованием геологических петрофизических данных и геофизических карт;

· петрофизические разрезы отдельных скважин, разрез которых составляют с использованием геологического изучения керна, данных определения петрофизических параметров по керну и каротажу, результатов опытно-фильтрационных работ в скважине.

· профильные петрофизические разрезы. Строятся схемы межскважинной корреляции пластов или горизонтов. В этом случае разрез отражает изменение петрофизической характеристики по вертикали и по латерали.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Назовите три группы физических свойств отличающихся по природе и характеру закономерных изменений.

2. Отличаются ли физические свойства измеренные в лабораторных условиях от свойств пород в естественных условиях? Если да, то почему?

3. Чем отличаются карты физических параметров от специализированных карт?


Глава 2 Плотность и пористость минералов и горных пород

2.1. Плотность и пористость физических тел

Плотность является одним из основных физических параметров вещества /4,6,8/.. Плотность – это свойство вещества, характеризующиеся отношением его массы m к занимаемому объему V:

(2.1)

Плотность горных пород является параметром, который определяет гравитационное поле (Федынский В.В., 1967):

(2.2)

Таким образом, потенциал U является ньютоновским потенциалом притяжения объемных масс, распределенных в объеме V с плотностью σ .

Плотность горной породы обозначается «σ », и определяется как отношение массы горной породы (минерала) к объему породы (минерала), т.е. отношение массы твердой, жидкой и газовой фаз к его объему:

, (2.3)

где m п - масса образца породы, состоящей из массы твердой m тв , жидкости m ж и газа m г . Объем образца V складывается из объема твердой V тв , жидкой V ж и газовой V г фаз.

Отношение твердой фазы породы к занимаемому объему твердой фазы называется минеральной плотностью , и обозначается «δ »:

. (2.4)

Единицей измерения плотности в системе СГС является г/см3 , в СИ – кг/м3 . В полевой геофизике плотность обычно обозначается «σ», и используют единицу измерения г/см3 .

Горная порода является многофазной системой, состоящей из твердой фазы (минерального скелета) и порового пространства, заполненного воздухом и жидкостью. Поры в горной породе могут сообщаться друг с другом или быть изолированы минеральным скелетом.

Пористость горной породы определяется совокупностью пустот в минеральном скелете породы и обозначается как «n »:

. (2.5)

Отношение объема пор V п ко всему объему образца V называется коэффициентом общей пористости:

. (2.6)

Единицей измерения пористости и коэффициента пористости являются проценты (%).

Масса жидкой фазы определяется с введением понятия относительной влагонасыщенности образца «p ». Если , то масса жидкой фазы определяется по формуле:

(2.7)

Плотность образца определяется по формуле:

(2.8)

Плотность водонасыщенных пород σв определяется отношением массы горной породы с максимальной влажностью к объему породы. Принимая σж =1 , p =1 , определяем плотность водонасыщенного образца:

(2.9)

Плотность газонасыщенных σг пород определяется отношением массы твердой фазы горной породы к объему, лишенной поровой влаги. То есть p =0 и плотность газонасыщенного образца:

(2.11)

Плотность газоводонасыщенных пород σгв определяется отношением горной породы с лабораторной влажностью к объему породы.

С плотностью связано понятие удельного веса. Однако в отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от места измерения. Определяется как отношение веса горной породы ( P ) к объему породы:

, (2.12)

где g – ускорение свободного падения в данной местности. Плотность равна удельному весу вещества на ширине 45° на уровне моря.

Плотность химически простых твердых веществ характеризуется постоянным, строго определенным значением. Плотность обусловлена электронным строением и массой ядер атомов. Большая часть массы атомов (99,95-99,97%) сосредоточены в ядрах. Масса атомов каждого химического элемента численно возрастает в порядке их расположения в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Плотность элементов изменяется с определенной периодичностью. Для каждого периода (т.е. для ряда элементов имеющих одинаковые квантовые числа) наблюдается возрастание плотности и уменьшение атомного радиуса элементов в первой половине периода, и понижение плотности и увеличение атомного радиуса – во второй половине периода. Плотность увеличивается в каждой группе элементов по мере повышения атомной массы. Для каждого периода наблюдается свой уровень значений плотности, что соответствует дискретному изменению главных квантовых чисел электронов внешних орбит на единицу. Прослеживается закономерность в периодичности изменения орбитального квантового числа. Для sp элементов наиболее существенное влияет изменение атомного радиуса. Эти элементы входят в состав большинства породообразующих минералов. Для d элементов (все химические d - элементов принадлежат к металлам) плотность зависит преимущественно от массы ядер атомов (Дортман Н.Б., 1984).

Плотность твердых химических элементов изменяется в пределах 0,5 – 22,5 г/см3 . Наименьшую плотность имеет литий – 0,53 г/см3 и калий 0,86 г/см3 , наибольшую – иридий 22,5 г/см3 .

Плотность воздуха при нормальных условиях (температура 20°С и давление 0,1МПа) равна 0,0012 г/см3 (Зтнченко В.С., 2005).

Для углеводородных газов метана и пентана значения плотности составляют соответственно 0,000715 и 0,000317 г/см3 . Плотность природных подземных вод при нормальных условиях изменяется от значений 1,01 г/см3 (пресная вода) до 1,24 г/см3 (рассол). Дистиллированная вода при температуре 20°С характеризуется значением σ, равным 0,9982 г/см3 .

Плотность нефти в зависимости от ее химического состава меняется в пределах 0,5-1 г/см3 .

2.2 Плотность минералов

Плотность минералов определяется массой составляющих их химических элементов и строением электронных оболочек атомов этих элементов, которые обуславливают, в свою очередь, формы кристаллической связи, конституцию и габитус кристаллов. Плотность минералов тем выше, чем больше они содержат атомов с повышенной относительной атомной массой и чем меньше их атомные (ионные) радиусы. С уменьшением атомных радиусов плотность упаковки атомов в единице объема возрастает.

Большинство породообразующих минералов имеют ионную или ковалентную форму кристаллической связи.

Породообразующие минералы характеризуются большим разнообразием структур и габитусов кристаллов. Повышение плотности обуславливается главным образом увеличением упаковки атомов в кристаллической решетке.

Плотность рудных минералов в основном зависит от их средневзвешенной относительной атомной массы. Увеличение плотности происходит главным образом за счет изменения массы при подчиненном влиянии структуры, что соответствует электронному строению атомов типа d для хрома, железа, свинца и других тяжелых элементов. Для них характерно ковалентно-металлическая и ионно-металлическая химическая связь. Значения плотности составляют 3,5-7,5 г/см3 . Самородные минералы (золото, серебро, платина, медь и др.) с металлической связью имеют самые высокие значения плотности (золото 19,32 г/см3 , серебро – 10,5 г/см3 , медь 8,9 г/см3 ).

Примерами взаимосвязи между плотностью и структурой минералов могут служить любые полиморфные модификации: алмаз (плотность 3,51 г/см3 ) и графит (2,23 г/см3 ), пирит (2,013 г/см3 ) и марказит (4,875 г/см3 ), низкотемпературный α- кварц (2,65 г/см3 ) и высокотемпературный β- кварц (2,51 г/см3 ). При одинаковом химическом составе на плотность оказывают влияние межатомные расстояния и координационные числа*, зависящие также от характера химической связи, а при прочих равных условиях – и взаимное расположение групп атомов в разных полиморфных модификациях.

Для многих породообразующих и особенно рудных минералов типичны микропримеси. Эти включения незначительно сказываются на плотности минералов (менее 0,01 г/см3 ).

Пористость минералов при образовании, как правило, близка к нулю. Однако при последующих процессах преобразования и стрессовых нагрузках, характерных для зон разломов, зон смятия и в других случаях, наблюдается не только трещиноватость пород, но и проявление микротрещиноватости минералов, что снижает плотность. К снижению плотности приводят химическое и механическое выветривание пород и гидротермально-метасоматические процессы, затрагивающие также минералы. Наиболее типичные значения плотности минералов и пределы вариации плотности приведены в таблице 2.1 (использованы данные Н.Б.Дортман, 1984).

Плотность, определенная для большинства минералов, изменяется от 0,98 г/см3 (лед) до 22,5 г/см3 (группа осмистого иридия – невьянскит, сысертскит). Минералы классифицируются на плотные ( >4 г/см3 ), средние (от 2,5 до 4 г/см3 ) и малой плотности ( <2,5г/см3 ). К плотным минералам относятся: самородные металлы, сульфиды, за редким исключением (аурипигмент, реальгар), более половины из окислов и гидроокислов, редкие из силикатов (циркон), фосфатов (монацит, ксенотим), вольфраматы, некоторые из карбонатов (смитсонит), сульфатов (барит, англезит).

___________

* координационное число- в кристаллографии число ближайших к данной атому или иону соседних атомов или ионов в кристалле, находящихся от него на одинаковом расстоянии.

Плотность г/см3 , породообразующих и рудных минералов Таблица 2.1

Минерал

Химическая формула

Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала

Вариации плотности минерала

Самородные элементы

Медь

Cu

-

8,5-8,9

Серебро

Ag

-

10,3-11,0

Золото

Au

-

15,0-19,5

Платина

Pt

-

13,1-21,5

Сера

S

2,0

-

Алмаз

C

3,52

-

Графит

C

2,2

2,09-2,25

Сульфиды

Халькозин

Cu2 S

-

5,5-5,8

Галенит

PbS

-

7,4-7,6

Сфалерит

ZnS

3,9-4

3,5-4,2

Киноварь

HgS

-

8,0-8.2

Никелин

NiAs

-

7,6-7,8

Халькопирит

CuFeS2

-

4,1-4,3

Станин

Cu2 FeSnS4

-

-

Борнит

Cu5 FeS4

-

4,9-5,2

Аурипигмент

As2 S2

-

3,4-3,5

Реальгар

As4 S4

-

3,5-3,6

Антимонит

Sb2 S3

-

4,5-4,6

Висмутин

Bi2 S3

-

6,4-6,7

Молибденит

MoS2

-

4,6-5,0

Пирит

FeS2

-

4,9-5

Марказит

FeS2

-

4,7-4,9

Арсенопирит

Fe[AsS]

-

5,9-6,0

Галогениды

Флюорит

CaF2

3,18

3,01-3,25

Галит

NaCl

2,168

-

Сильвин

KCl

1,99

-

Окислы, гидроокислы

Куприт

CuO2

6-6,15

5,85-6,15

Корунд

Al2 O3

4,0

-

Ильминит

FeTiO3

4,79

4,7-5,2

Гематит

Fe2 O3

-

5,0-5,3

Шпинель

MgAl2 O4

3,6

3,5-3,7

Магнетит

FeO4

-

5,0-5,2

Хромит

FeCr2 O4

-

4,8-5,2

Минерал

Химическая формула

Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала

Вариации плотности минерала

Хризоберилл

BeAl2 O4

-

3,5-3,9

Рутил

TiO2

4,23

4,18-4,18-4

Касситерит

SnO2

7,03

6,8-7,1

Пиролюзит

MnO2

-

4,7-5

Перовскит

CaTiO3

-

4,0-4,2

Самарскит

(YU)(TaNb)2 O8

-

5,5-6,5

Уранинит

UO2

-

7,5-10,6

Опал

SiO2 *nH2 O

1,9-2,1

1,9-2,5

Бёмит

AlO(OH)

3,01

3,01-3,11

Диаспор

AlOOH

3,3-3,5

3-3,5

Гидроаргиллит

Al(OH)3

2,43

2,3-2,43

Карбонаты

Кальцит

Ca[CO3 ]

2,715

2,6-2,8

Арагонит

Ca[CO3 ]

2,9-3

2,85-3

Магнезит

Mg[CO3 ]

2,96

2,9-3,1

Доломит

CaMg[CO3 ]2

2,87

1,8-3,15

Сидерит

Fe[CO3 ]

3,89

3-3,9

Смитсонит

Zn[CO3 ]

-

4,1-4,5

Малахит

Сг[CO3 ](OH2 )

-

3,9-4,03

Сульфаты

Барит

Ba[SO4 ]

4,5

4,3-4,7

Целистин

Sr[SO4 ]

-

3,9-4,0

Ангидрит

Ca[SO4 ]

2,9

2,8-3

Англезит

Pb[SO4 ]

-

6,1-6,4

Гипс

Ca[SO4 ]2H2 O

2,3

2,3-2,4

Тенардит

Na[SO4 ]

-

2,6-2,7

Мирабилит

Na[SO4 ]10 H2 O

1,5

-

Алунит

KAl[SO4 ]2 (OH)6

2,58

2,5-2,8

Ярозит

KFe[SO4 ]2 (OH)6

-

3,1-6,3

Хроматы

Крокоит

Pb[CrO4 ]

6,0

-

Вольфраматы, молибдаты,

Шеелит

Ca[WO4 ]

-

5,8-6,2

Вольфрамит

(Mn,Fe)WO4

7,1-7,5

6,7-7,5

Повеллит

Ca[MoO4 ]

-

4,2-4,5

Вульфенит

Pb[MoO4 ]

-

6,3-7,0

Минерал

Химическая формула

Плотность чистых или наиболее распространенных разновидностей минерала

Вариации плотности минерала

Фосфаты, арсенаты, ванадаты

Монацит

Ce[PO4 ]

5,3

4,9-5,5

Ксенотим

YPO4

4,45-4,51

4,4-4,56

Апатит

Ca5 [PO4 ]3(F,Cl,OH)

3,18-3,21

3,16-3,27

Эритрин

Co[AsO4 ]2 8H2 O

-

2,9-3,1

Карнотит

K2 [UO2 ]2 [VO4 ]3H2 O

4,46

-

Бораты

Борацит

Mg3 B7 O13 Cl

2,9

-

Силикаты

Циркон

Zn[SiO4 ]

4,68-4,7

3,8-4,86

Дистен

3,5-3,7

-

Андалузит

Al[SiO4 ]O

3,1-3,2

3,1-3,22

Силлиманит

Al [Si Al O5 ]

3,23-3,25

Гранаты:

альмандин

Fe3 Al2 [SiO4 ]3

4,25

3,69-4,33

андрадит

Ca3 Fe2 [SiO4 ]3

3,75-3,78

3,64-3,9

гроссуляр

Ca3 Al2 [SiO4 ]3

3,53

3,53-3,71

пироп

Mg3 Al2 [SiO4 ]3

3,51

3,5-3,8

спессартин

Mn3 Al2 [SiO4 ]3

4,18-4,27

3,8-4,25

Сфен

CaTi[SiO4 ]O

3,4-3,56

3,29-3,56

Антофиллит

(MgFe)7 Ca [Si4 O11 ]2 [OH]2

3-3,15

2,8-3,4

Эпидоты:

Ca2 Al3 [Si2 O7 ] [SiO4 ]O[OH]

цоизит

3,25-3,36

-

Ортит

4,1

3,5-4,1

Кордиерит

(MgFe)2 [Si5 AlO18 ]

3,57-2,66

2,57-2,78

Турмалины:

(Na,Ca) (Mg,Al)6

[B3 Al3 Si6 (O,OH)

дравит

3,05

-

шерл

3,16

2,9-3,2

Пироксены:

волластонит

Ca [Si3 O9 ]

2,8-2,9

2,79-2,91

генденбергит

CaFe[Si2 O6 ]

3,55

3,5-3,6

эгирин

NaFe[Si2 O6 ]

3,5-3,56

3,43-3,6

Тальк

Mg3 [Si4 O10 ][OH]2

2,78

2,7-2,8

Пирофиллит

Al2 [Si4 O10 ][OH]2

-

2,66-2,9

Мусковит

KAl2 [AlSi3 O10 ][OH]2

2,76-3,1

2,5-3

В составе плотных минералов значительна концентрация частиц с большой атомной массой (свинец, ртуть, серебро, медь и др.) и малым атомным (ионным) радиусом. Большая часть всех минералов имеет среднюю плотность. Незначительное число минералов (10-15%) малой плотности. К ним относятся: самородные неметаллы – графит и сера; некоторые из окислов и гидроокислов (лед, опал); многие минерала класса силикатов (монтмориллонит, галлуазит); некоторые из галогенидов (галит, сильвин), карбонатов, боратов. Хорошая дифференциация минералов по плотности позволяет использовать эту величину для их распознавания.

2. 3. Плотность магматических пород

Основными факторами, определяющими плотность горных пород, являются: минералогический и химический состав главных породообразующих минералов; структурно-текстурные особенности; степень диагенеза и метаморфизма /4,6,8/.

Плотность магматических пород зависит главным образом от состава пород и растет с увеличением их осносвности:

· у кислых пород (64-78 % кремнезема SiO2 ) плотность 2,5 – 2,7 г/см3 ;

· у основных (44-53%) пород 2,8 – 3 г/см3 ;

· ультраосновных (<44%) пород 3,0-3,3 г/см3 .

Возрастание плотности пород в нормальном ряду гранит-перидотит происходит в результате постепенного уменьшения содержания микроклина и кварца, увеличения количества основности плагиоклазов, появление пироксенов. При одинаковом количестве кремнезема плотность пород щелочного ряда ниже плотности пород нормального ряда, что объясняется высоким содержанием щелочных элементов с большим атомным радиусом, обусловливающим менее плотную упаковку атомов.

В плотностном отношении интрузивные породы одного типа достаточно однородны и сравнительно хорошо выдержаны. Их плотность слабо зависит от структурно-текстурных особенностей и возраста. Некоторое увеличение плотности наблюдается при наличии значительного количества акцессорных рудных минералов.

Примеры плотности изверженных и магнитных пород с увеличением основности:

Туф средняя плотность 1,8 г/см3 ;

Гранит от 2,52 г/см3 до 2,81 г/см3 , средняя 2,67 г/см3 ;

Сиенит 2,63 г/см3 до 2,9 г/см3 , средняя 2,76 г/см3 ;

Диорит 2,8 г/см3 до 3,11 г/см3 , средняя 2,96 г/см3 ;

Перидотит 3,15 г/см3 до 3,28 г/см3 , средняя 3,23 г/см3
Дунит 3,25 г/см3 до 3,33 г/см3 , средняя 3,39 г/см3 .

Эффузивные породы в целом подчиняются тем же закономерностям, что и интрузивные: плотность увеличивается от кислых к ультроосновным образованиям. Однако вследствие более высокой пористости плотность эффузивных пород меньше плотности их интрузивных аналогов.

2.4. Плотность метаморфических пород.

Под метаморфизмом понимают глубокое изменение и преобразование горных пород, происходящее под воздействие различных эндогенных процессов/4,6,8/.

Главными факторами метаморфизма горных пород являются: температура , давление всестороннее, и гидростатическое (в значительной степени определяется глубиной), стресс (давление, ориентированное в одном направлении или одностороннее), химически активные флюиды и газы, выделяющие из внедряющихся магм и поступающие с больших глубин из мантии.

Повышение температуры может быть связаны с погружением горных пород на большую глубину по мере накопления мощных осадков, тепловым воздействием магмы, проникающей в земную кору, местным повышением теплового потока, поступлением глубинных флюидов и др. процессами.

Давление приводит к деформации минералов и вызывает закономерную

пространственную ориентировку их в горных породах. Благодаря деформации возникают пути для перемещения паров воды и газов, что увеличивает интенсивность химических реакций.

Стресс способствует перекристаллизации минералов и горных пород.

В зависимости от сочетания перечисленных факторов форма проявления метаморфизма весьма разнообразна.

При метаморфических преобразованиях горных пород, приспосабливающихся к новым термодинамическим условиям, происходит изменение их физических свойств и, прежде всего, плотности.

Плотность изменяется за счет структурных перестроек при изохимических процессах. Изохимическим метаморфизмом (ísos - равный) называют метаморфизм, когда не происходит привноса и выноса химически активных веществ (или их мало), состав горных пород почти не изменяется (например, преобразование известняка в мрамор) или изменяется в незначительной степени.

В том случае, когда метаморфические изменения сопровождаются значительным привносом вещества и выносом вещества, происходит замещение одних минералов другими, то есть происходит метасоматоз. Изменение химического состава тоже приводит к изменению плотности.

Динамометаморфизм (дислокационный), или катакластический (от греч. катаклазо - разрушаю) метаморфизм (приразломный) — происходит в верхних зонах земной коры, главным образом под влиянием сильного одностороннего давления - стресса. Он связан с тектоническими движениями, вызывающие разрывы в земной коре и перемещение по ним отдельных блоков. Вследствие этого катакластический метаморфизм локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений, особенно с полого падающими поверхностями сместителей. В процессе перемещения пород по разломам при сравнительно низкой температуре происходит их разрушение и дробление. Изменяются текстурно-структурные особенности пород, но минеральный состав почти не меняется (или в малой степени). Все это сопровождается понижением плотности за счет текстурных изменений.

В более глубоких зонах, где температура повышается, механическое разрушение пород сменяется пластическими деформациями. Совместное воздействие высоких температур и давлений приводит к некоторому изменению минерального состава, вследствие перераспределения вещества. Сопровождение приноса вещества приводит, наоборот, к возрастанию плотности пород.

Автометаморфизм — происходит в период застывания интрузивной магмы и становления магматических горных пород. Такой метаморфизм протекает в самом интрузивном теле (при его остывании и кристаллизации). Широко развиты процессы амфиболизации (замещение пироксена амфиболом), альбитизации основных плагиоклазов, серпентинизации ультраосновных пород (перидотитов, дунитов).

Серпентинизация пород характерна для большинства известных массивов гипербазитов. Изменение пород отмечается преимущественно с поверхности, но в ряде массивов оно захватывает глубокие горизонты (до 1000-1500 м), особенно вдоль разломов. В процессе серпентинизации происходит разложение минералов с высокой плотностью (пироксенов, оливина) и образование малоплотного серпентина при небольшом содержании магнетита и других акцессорных минералов. Процесс протекает постепенно и характеризуется также постепенным уменьшением плотности пород. Наименьшую плотность имеют серпентиниты. Их дальнейшее изменение – карбонатизация приводит к новому увеличению плотности.

Процесс амфиболизации наиболее характерен для габбро и габбро-норитов, но наблюдается также и в гипербозитах. При амфиболизации происходит разложение пироксена с образованием амфибола и плагиоклазов с кристаллизацией хлорита, серицита и эпидота, т.е. минералов с меньшей плотностью. Измененные породы, как следствие характеризуются пониженной плотностью.

Контактовый метаморфизм . Этот тип метаморфизма связан с внедрением магмы в земную кору. Он наблюдается на контакте интрузий и вмещающих горных пород. При этом изменение происходит не только во вмещающих породах, но и в верхней части самих магматических интрузий. Изменение и преобразование горных пород, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактным метаморфизмом. А изменение, происходящие в краевой части интрузии эндоконтактным метаморфизмом. Здесь присутствуют широко идущие процессы метасоматоза и образование метасоматитов.

Процессы контактового метаморфизма могут быть без существенного изменения химического состава исходной породы, например при образовании роговиков (термальный метаморфизм); иногда они сопровождаются значительными метасоматическими изменениями. Возникающие при метаморфизме осадочных пород роговики характеризуются повышенной плотностью. Степень увеличения плотности определяется минеральным составом роговиков. Кристаллические сланцы, возникающие в результате контактового метаморфизма (с проявлением метасоматоза) глинистых и известково-глинистых осадочных пород, отличаются резко повышенной плотностью по сравнению с исходными породами, что обусловлено появлением минералов с высокой плотностью и резким уменьшением пористости пород.

Региональный метаморфизм проникает на большую глубину и захватывает значительные площади. Факторами регионального метаморфизма являются подъем температуры, давления, воздействием флюидов. В зависимости от их соотношения меняется и степень метаморфизма.

Усиление степени метаморфизма от зелено-каменной фации к эклогитовой сопровождается увеличением плотности. Главное свойство является снижение пористости. Пористость становится 1-2%. Дальнейшее повышение степени метаморфизма, сопровождается увеличением плотности. Это происходит вследствие образования полиморфных модификаций минералов с более уплотненными кристаллическими решетками. При этом первоначальный состав оказывает настолько существенное влияние, что кислые породы высоких стадий метаморфизма имеют меньшую плотность, чем основные породы более низких стадий.

Ультраметаморфизм особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубоких зонах складчатый областей. Процессы ультраметаморфизма вызывают наиболее глубокое изменение горных пород, при котором происходит перекристаллизация, метасоматоз, селективное или полное расплавление. Все эти преобразования сопровождаются разуплотнением пород, что свидетельствует об их приспособлении к условиям более низких давлений и о протекании процессе в условиях повышенных температур.

Частично- или полно- расплавленные горные породы проникают во вмещающие породы. Образуются смешанные породы, состоящие из материала исходной породы и расплава. Эти породы называют мигматиты. Разновидностью мигматитовой формации является чарнокитовая формация. Считается, что чарнокитизация и гранитизация пород – одно из наиболее ярких проявлений ультраметаморфизма. Процессы чарнокитизации и гранитизации (мигматизации) приводят к существенному изменению физических характеристик пород в связи с образованием иных минеральных ассоциаций.

Наблюдается непрерывный ряд формаций:

· габбро-диорит-чарнокитовая формация, типичная для архея, характеризуется в среднем повышенной плотностью (σср = 2,75 г/см3 ) при больших дисперсиях параметра.

· Чарнокит-диорит-гранитовая формация (также развитая в архейских структурах) имеет плотность 2,65-2,74 г/см3 .

· Плотность пород чарнокит-гранитовой формации, характерной для протерозоя, составляет 2,6-2,7 г/см3 .

· Мигматит-гранитовые формации характеризуются выдержанной плотностью, преимущественно равной 2,6-2,65 г/см3 .

Таким образом, в процессе чарнокитизации и гранитизации происходит понижение основности и плотности пород, связанное с уменьшением давления и температуры при подъеме блоков из нижних горизонтов земной коры к ее верней части.

Регрессивный метаморфизм или диафторез - связан с изменением термодинамических условий в сторону уменьшения температуры и давления.

Метаморфические горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях вследствие восходящих тектонических движений или других причин, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этих случаях происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциациях на породы, сформированные при более высоких температурах. Это регрессивный метаморфизм.

При регрессивном метаморфизме и диафторезе плотность пород уменьшается. Если эти процессам сопутствует милонитизация, то есть процесс раздробления и перетирания горных пород, то образующиеся кристаллические сланцы отличаются резко пониженной плотностью. Так как вследствие микротрещиноватости увеличивается пористость. Таким образом, низкотемпературные минералы характеризуются более низкой плотностью по сравнению с высокотемпературными минералами.

2.5. Плотность и пористость осадочных пород.

Плотность осадочных пород определяется в первую очередь их пористостью, обусловленной структурой и диагенезом пород, в меньшей степени минеральным составом /4,6,8/.

Пористость в широком смысле этого слова это доля объема пор в общем объеме пористого тела.

Зависимость между плотностью и пористостью горных пород выражается уравнением 2.11 и 2.8.

В целом точность определения плотности комплексов горных пород по корреляционным зависимостям составляет 0,02-0,06 г/см3 . Для осадочных пород И.Н.Михайловым и Э.О. Тарасовой установлена зависимость:

(2.13)

Плотность минералов, образующих горные породы, может отличаться от плотности химически чистых самородных кристаллов. Вариации плотности минералов могут составлять 0,01-0,1 г/см3 , иногда достигают 0,3г/см3 за счет неоднородности химического состава, наличия посторонних микропримесей и микротрещиноватости.

Пористость скальных пород незначительна и обычно изменяется от долей процента до нескольких процентов: у полускальных она может достигать 15-20%. Исключение составляет некоторые эффузивы: базальты, туфы, туффиты, а также некоторые известняки-ракушечники, мел, опоки и др., пористость которых достигает 30-35% (Зинченко В.С., 2005).

Общая пористость песчаных и глинистых пород изменяется в довольно широких пределах в зависимости от формы и размера слагающих их частиц, плотности сложения, сечения и характера цементации.

Пористость неоднородных по гранулометрическому составу пород обычно меньше, чем однородных, хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах более мелкие частицы располагаются среди более крупных и общая плотность упаковки повышается. Чем меньше коэффициент неоднородности гранулометрического состава пород, тем выше их пористость (Зинченко В.С., 2005).

Существенное слияние на пористость пород оказывает плотность сложения. В зависимости от плотности укладки равновеликих частиц шарообразной форме независимо от их размера коэффициент пористости может изменяться от 26% при тетраэдрической укладке частиц до 48% при кубической (рис.2.2).

а б в

Рис.2.1. Изменение пористости породы, состоящей из равновеликих частиц шаообразной формы, в зависимости от плотности их сложения:

а – наиболее рыхлое сложение (kп =48%), б – средней плотности (kп =40%), в – наиболее плотное (kп =26%) (Зинченко В.С., 2005).

У пород тонкозернистых (тонкодисперсных) пористость выше, чем у пород грубодисперсных с меньшей удельной поверхностью. В соответствии с этим общая пористость глинистых пород обычно выше, чем пористость песков, гравелитов и других обломочных пород, хотя поры и пустоты у последних крупнее. У некоторых типов глин она может достигать 60%.

По общей пористостью горные породы подразделяются на три группы:

1) с низкой пористостью, k п <5%;

2) со средней пористостью k п =5-20%;

3) с высокой пористостью k п > 20%.

По условиям происхождения различают пористость первичную (сингенетичную) и вторичную (эпигенетичную). Первичная пористость возникает в процессе формирования породы. Вторичная пористость в горных породах (каверны, трещины, каналы) возникают в результате перекристаллизации элементов, составляющих породу, растворения и выщелачивания отдельных минералов и цемента, уплотнения и разуплотнения при воздействии тектонических сил, физического выветривания.

В зависимости от причин, порождающих трещиноватость горных пород, а также от структуры, текстуры, минералогического состава в горных породах образуются различные трещины по ширине (раскрытости), длине и ориентировке в пространстве. Отсюда выделяются следующие типы пород, пустотное пространство образовано межгранулярными (межзерновыми, первичными) порами, то есть коллекторами (Зинченко В.С., 2005):

1) коллекторы кавернозного типа, приуроченные, в основном, к карбонатным породам с кавернами и карстом, связанными между собой микротрещинами, по которым осуществляется фильтрация жидкостей и газов;

2) коллекторы трещинного типа, приуроченные к карбонатным породам, плотным песчаникам, хрупким сланцам, пронизанным трещинам, из которых фильтрация происходит только по трещинам с раскрытостью 0,005-0,01 мм;

3) коллекторы смешанные, представляющие собой сочетания и переходы по площади к размеру первого, второго типа и пористого коллектора.

Поры в породах могут быть связаны между собой и с атмосферой или изолированы друг от друга. В первом случае говорят об открытой, а во втором – о закрытой пористостью. Сумма объемов открытых и закрытых пор породы является ее общей пористость: