Палеогидродинамические условия накопления песчано-алевритовых осадков по данным гранулометрического анализа

• Глава 1. Факторы переноса осадочного материала в морских бассейнах
• Глава 2. Лабораторные методы исследования горных пород
• Глава 3. Графическое изображение данных гранулометрического анализа
• Глава 4. Гранулометрический состав песчано-алевритовых пород как показатель гидродинамической обстановки их осадконакопления
• Глава 5. Палеогидродинамическая обстановка осадконакопления песчано-алевритовых пород и влияние ее на коллекторские свойства

Глава 1. Факторы переноса осадочного материала в морских бассейнах

Осадочный материал, возникший в различных средах и обстановках, в значительной своей части не остается на месте образования. Под действием внешних факторов он переносится, а затем накапливается в пониженных участках рельефа суши или на дне водоемов, где имеются благоприятные условия для захоронения осадка. Транспортировка осадочного материала осуществляется в водной, воздушной и твердой (ледники) средах.

Таблица 6 — Минимальная скорость, необходимая для начала движения частиц однородного осадка при глубине потока 1 м (по В.Н. Гончарову)

Перенос осадочного обломочного материала в морях имеет огромное геологическое значение. Этот процесс ведет к образованию морских отложений. При этом характер переноса обломочного материала в морях, так же как и в озерах, существенно отличается от переноса его в реках. В речных потоках фактором, определяющим перемещение частиц, является поступательное движение воды, а в прибрежных условиях водоемов — колебательные движения воды. Происходящий при этом перенос наносов в последние годы был подробно охарактеризован советскими учеными В. В. Шулейкиным и В. П. Зенковичем.

осадочный гранулометрический порода осадконакопление Воздействие ветра на водную поверхность заставляет частицы воды совершать движения по замкнутым орбитам и образует волны, фронт которых перпендикулярен направлению ветра.

Движение поверхностных частиц воды передается и в нижележащие слои, но размеры орбит перемещения частиц при этом быстро уменьшаются и на глубине, равной длине волны, их диаметр составляет всего 0,002 диаметра орбит на поверхности моря.

Крупная океаническая волна, имеющая 8 м высоты и 150 м длины, на глубине 150 м вызывает движение частиц воды с амплитудой всего в 16 мм. В открытых частях океана ветровые волны и зыбь достигают наибольших размеров. В южных широтах, в районе действия сильных, почти постоянных северо-западных ветров, наблюдаются волны до 400 м длины и 12−13 м высоты, распространяющиеся со скоростью 14−15 м/сек. Во внутренних морях, особенно мелководных, размеры волн значительно меньше, но они становятся круче, чем в океане. Так, например, в Северном море наблюдались волны высотой 8−9 м при длине 125 м. В Черном море у побережья Кавказа высота волн доходит до 4 и при особенно сильных штормах она достигает 12 м при длине 160−170 м в Каспийском море высота волн 4−6 м, в Балтийском — 6 м и т. д.

Перемещение обломочных частиц в направлении, перпендикулярном к берегу. При перемещении волн в области малых глубин (меньших половины длины волны) начинается их преобразование, которое выражается, в частности, в изменении профиля волны (она становится несимметричной, с более крутым передним и пологим задним склоном гребня). Изменяются также формы орбит, описываемых частицами воды. По мере увеличения глубины они становятся все более сплюснутыми и, в конце концов, у дна превращаются в прямолинейные поступательно-возвратные движения.

При наклонном дне сила тяжести сокращает путь частицы вверх по склону дна и увеличивает путь вниз по нему. Поэтому, если кривая изменения скорости движения частиц воды у дна симметрична, то частица в результате каждого полного колебания будет перемещена все же вниз по склону.

При несимметричной кривой скоростей, что имеет место на малых глубинах, превышение составляющей течения, направленной к берегу, не только компенсирует, но и превышает влияние веса частицы и обусловливает тем самым ее перемещение в сторону берега.

Изменение режима волн вызывает перераспределение наносов. Так, например, при сильных штормах волны могут уносить на дно огромное количество обломочного материала, смывая его с пляжа или прилежащих мелководных участков дна. После прекращения шторма унесенный материал опять начинает выбрасываться на берег и только на больших глубинах он остается неподвижным. В. П. Зенкович указывает, что гальки на дне моря обычно находятся в движении на глубинах до 12−15 м, а песчаные частицы — до 23−27 м.

В результате волнения значительная часть осадков непрерывно взмучивается. В них становится невозможным образование правильной тонкой горизонтальной слоистости. Взмучивание осадков в больших масштабах происходит в морях, по видимому, до глубины 30−50 м и ведет к улучшению сортировки донных отложений благодаря удалению из них мелких частиц.

Таким образом, морское дно в области небольших глубин постоянно находится в состоянии преобразования. Здесь почти непрерывно идет перенос материала то к берегу, то обратно. Чем больше глубина, тем реже происходят подобные перемещения.

Общее направление перемещения наносов на дне моря зависит также от глубины вблизи берега. У берегов с большим уклоном морского дна (приглубые берега) основная масса наносов увлекается к основанию подводного склона. У отмелых берегов наносы в основном перемещаются к берегу и образуют пологие пляжи с береговыми валами, которые резко изменяются лишь во время штормов.

В случае весьма отмелых берегов, сложенных рыхлыми наносами, волны теряют значительную часть своей энергии вдали от береговой линии, что ведет к образованию песчаных валов — баров, окаймляющих часто отмелые берега и отделяющие лагуны от моря. Ширина лагуны часто постепенно уменьшается за счет перемещения бара в сторону берега.

В прибрежной части отмелого дна обычно наблюдается два или три вала. Иногда их число возрастает до шести. В южной части Балтийского моря валы распространены до глубины 9 л* и занимают зону более 700 м шириной. Передний склон вала обычно круче заднего, но в некоторых случаях это выражено не резко. Высота валов близка к 1 м, расстояние между ними увеличивается при удалении от береговой линии.

Положение прибрежных валов постепенно изменяется. Смещение каждого вала к берегу, осложняющееся обычно временным обратным движением, вызывает образование косой слоистости. Общий ее тип. казалось бы, должен напоминать соответствующие формы косой слоистости, образующиеся в реках при движении песчаных гряд; однако значительно меньшая подвижность прибрежных валов, наличие периодов возвратного движения, общая ограниченность территории их образования и амплитуды возможного смещения отличают косую слоистость прибрежных и речных отложений.

Кроме прибрежных валов, на очень отлогих песчаных побережьях, в тихую погоду формируются значительно менее крупные песчаные гряды. Количество их достигает иногда 10−12. Они характеризуются симметричностью профиля и примерно равными промежутками между гребнями. Высота песчаных гряд измеряется обычно несколькими десятками сантиметров. Внешняя форма и размеры могут резко видоизменяться в течение нескольких суток, даже при тихой погоде.

Изменения рельефа морского дна выражаются и в виде появления, разнообразных знаков ряби, встречающихся в современных океанах на глубинах, значительно больших 200 м. На малых глубинах знаки ряби могут быть сложены не только песками, но и гравием и галькой.

Форма знаков ряби очень разнообразна. Симметричные знаки ряби связаны лишь с колебательными движениями воды и не сопровождаются значительным перемещением песчаных зерен. Несимметричные валики, наоборот, возникают в процессе поступательного перемещения песчаных зерен. Крутой склон валиков асимметричной ряби волнения, как правило, направлен к берегу. На одну систему знаков ряби может быть наложена другая. В результате возникают сложные типы перекрещивающихся знаков ряби.

В целом, на отлогих берегах, выше и ниже уровня моря, образуется целая система грядообразных форм рельефа. Здесь наблюдаются крупные береговые бары, длина которых измеряется многими сотнями километров. Помимо этих длительно существующих форм рельефа морского дна, встречаются самые разнообразные по размерам, быстро меняющиеся подводные и надводные песчаные гряды, обусловленные перемещением песчаного материала к береговой линии. Среди них наблюдаются и очень мелкие формы, высота которых измеряется всего долями метра. Подобные формы существуют несколько часов.

Перемещение наносов и абразия морского дна при постоянстве внешних условий приводят к выработке профиля временного равновесия морского дна, конфигурация которого зависит от соотношения между движением волн и особенностями геологического строения прибрежной.

В прибрежной зоне наносы перемещаются не только в поперечном береговой линии направлении, но и вдоль берега.

Гребни волн обычно не параллельны береговой линии. Подходя к берегу под острым углом, волна одним концом попадает на мелководье раньше, чем другим. Замедление распространения при уменьшении глубины заставляет фронт волны изгибаться и подходить к береговой линии в направлении, близком к нормали, отклоняясь от нее на угол не более, чем на 10−15°. По мере удаления от берега и увеличения глубины, обломочные частицы могут перемещаться волнами под более значительным углом к берегу.

Рисунок 20 — Различные типы продольных профилей:

А - профиль участка дна, сложенного обломочными частицами, перемещаемыми по дну моря:

Б - абразионный профиль в коренной породе;

В - профиль участка дна, сложенного легковзмучиваемыми частицами (по В.П. Зенковичу);

а — зона взмучивания.

Направление движения обломочных частиц не полностью совпадает с направлением движения волны из-за влияния силы тяжести.

Действительно, когда волны подходят к берегу под острым углом, то увлекаемые ими обломочные частицы будут двигаться по равнодействующей течения волны и силы тяжести, направленной по линии наибольшего уклона дна.

При движении волны в обратном направлении частицы вновь будут смещены несколько в сторону под влиянием силы тяжести. В результате обломочные частицы начнут зигзагообразное движение вдоль береговой линии.

Наиболее интенсивное перемещение наносов вдоль берега происходит в прибрежной зоне. Размеры волн и направление их подхода к береговой линии непрерывно изменяются из-за непостоянства направления нательное движение наносов неоднократно каждой обломочной частицы представляет собой ломаную.

В прибрежных условиях, как это было впервые установлено В. А. Обручевым, обломочные частицы смещаются, в общем, вдоль берега в сторону направления господствующих ветров, но они проходят несоизмеримо более длительный путь, чем видимое перемещение вдоль берега.

Рисунок 21 — Схема продольного перемещения обломочных частиц волнами (по В.П. Зенковичу) Для иллюстрации скорости движения наносов вдоль берега В. П. Зенкович приводит следующие примеры. На южном берегу Крыма было обнаружено, что перемещение галек вдоль берега за сутки изменяется от 6 м при волнении в один балл и до 65 м. Единичные наблюдения показывают, что при волнении в восемь баллов галька проходит вдоль берега расстояние более 100 м. На открытых берегах океанов зафиксированы еще большие скорости перемещения галек: вдоль берега (берега Англии — около 400 м, Атлантическое побережье США — до 900 м в сутки и т. д.).

Общее смещение наносов вдоль берега может быть очень велико. В. А. Обручев описал случаи нахождения гальки Карадагских лав Крыма на пляжах Алушты, что означает перенос их на расстояние 120 км. В Туле указывает на перемещение кремневой гальки из меловых пород Бретани к Голландии на расстояние свыше 500 км. Песчаный материал из района Лабрадора смещается к югу вдоль Атлантического побережья, США вплоть до Флориды, т. е. на расстояние свыше 2500 км, и т. д.

Если учесть, что реальный путь частиц, вероятно, в тысячи раз превышает пройденное ими вдоль берега расстояние, то приведенные цифры дают представление об огромной протяженности пути движения обломочных частиц в прибрежно-морских условиях. В. П. Зенкович указывает, например, что на Черноморском побережье ежегодно истирается около 20% всей массы гальки. Здесь во время штормов приходит в движение слой галечника мощностью до 2 м в полосе, шириной в несколько десятков метров. На песчаных берегах Черного моря ширина берегового потока наносов достигает 80 м при его мощности до 1 м. При переносе резко возрастает окатанность галек и песчаных зерен, разрушаются почти все неустойчивые против выветривания компоненты, происходит тщательная, отсортировка частиц в зависимости от их размера и т. п. Поэтому типичные прибрежно-морские пески и галечники характеризуются значительно лучшей сортировкой и окатанностью, а при одинаковых материнских породах и значительным однообразием минералогического состава по сравнению с речными песками. Можно утверждать, что только в прибрежных условиях из продуктов разрушения кристаллических пород могут произойти кварцевые пески, состоящие из хорошо окатанных и сортированных зерен. В реках подобные пески могут быть образованы лишь в случае размыва более древних песчаных отложений.

Перемещение обломочных отложений течениями. Морские осадки, кроме волн, перемещаются также течениями. Характер этого движения по существу не отличается от переноса обломочного материала реками. Однако перемещение течениями обломочного материала в море ряде случаев осложняется влиянием колебательного движения волн, и поэтом} редко может быть выделено в чистом виде. Значительная скорость морских течений, наблюдаемая в поверхностных слоях воды, у дна обычно резко уменьшается. Поэтому мощные океанические течения часто перемещают растворенный или взвешенный материал, но не обломочные частицы, находящиеся на дне моря. Перемещение донных обломочных отложений течениями происходит обычно лишь там, где течения исключительно сильны. В зоне подобных течений в зависимости от их скорости могут наблюдаться все стадии переноса, как и в потоке. Если течение проходит параллельно берегу, то образующиеся песчаные гряды располагаются перпендикулярно береговой линии. Такие гряды, образованные течениями, обнаружены в проливе Ламанш. Наличие гряд, смещаемых течениями, может вызывать в морских отложениях появление косой слоистости, падающей в направлении, параллельном простиранию берега.

В районе значительных приливов и отливов при соответствующем рельефе возникают весьма интенсивные приливно-отливные течения, скорость которых в некоторых случаях может достигать 1,5−2,5 м/сек.

В заключение отметим наблюдающиеся случаи переноса песчаных зерен путем флотации (всплывания). Флотирующие песчаные зерна образуют тонкую пленку, плавающую на поверхности воды. Размер зерен, прилипающих к пузырькам пены и пр., может достигать 0,5 мм и даже несколько более.

Глава 2. Лабораторные методы исследования горных пород

Осадочные горные породы обладают целым рядом признаков, свойств и особенностей строения, одни из которых определяют в полевых условиях — в обнажениях, крупных штуфах или колонках керна, вторые устанавливают в лабораториях — при оптических, химических исследованиях или физических испытаниях образцов. В зависимости от задач, стоящих перед исследователем, применяется тот или иной комплекс полевых или лабораторных методов познания осадочных горных пород. Например, при оценке качества песчаных коллекторов в полевых условиях устанавливают мощность пласта, его однородность и распространение по площади. В лабораторных условиях определяют гранулометрический состав, содержание цемента, структуру порового пространства, пористость, проницаемость и некоторые другие свойства. При работах с целью поисков песка для стекольной промышленности в полевых условиях определяют мощность и другие размеры геологического тела, а в лабораторных условиях производят гранулометрический, минералогический, химический и некоторые другие анализы.

Лабораторные исследования осадочных пород позволяют уточнить детали строения пород, установить их точный минеральный и химический состав, а также определить физические свойства. Знание этих особенностей пород в совокупности с материалами, полученными при полевых работах, позволяет установить условия образования пород, области их распространения, восстановить палеогеографическую обстановку и решить множество других задач, а также наметить конкретные пути поисков и способы разработки различных полезных ископаемых. Для решения каждой конкретной задачи используют свой наиболее рациональный комплекс аналитических работ. Все лабораторные исследования горных пород по возможности следует выполнять на материале из одного образца.

Определение нерастворимого остатка производится с целью установления количественных соотношений между нерастворимой частью породы, представленной в основном обломками минералов и пород, и растворимой частью, состоящей из карбонатов, сульфатов, окислов железа и др. Этот вид исследования обычно применяется при изучении обломочных (песчаных, алевритовых, гравийных), глинистых и карбонатных пород. Результаты анализа позволяют уточнить классификационное положение породы, оценить ее с точки зрения коллекторских и экранирующих возможностей, а также получить данные для палеогеографических реконструкций.

Из раздробленной на мелкие обломки (обычно мельче 5 мм) породы после квартования берут небольшую навеску (3−5 г) и обрабатывают ее растворителями. В случае если растворимая часть представлена карбонатами или сульфатами, на перенесенную в стакан навеску действуют слабой (5% -ной) соляной кислотой при температуре около 70 °C в течение часа. Далее в течение часа отделяют нерастворимый остаток и промывают его горячей дистиллированной водой. После высушивания пробу взвешивают, а затем вычисляют весовое и процентное содержание нерастворимого остатка.

Если растворимая часть породы представлена хлоридами (NaCl, КС1, МgС1₂ и др.), то для получения нерастворимого остатка используют дистиллированную воду. Окислы железа растворяются в 10% - ной соляной кислоте с кипячением, до исчезновения бурой окраски осадка. В ряде руководств для определения нерастворимого остатка рекомендуется 5 — 10% -ная уксусная кислота (в случае присутствия карбонатов) и 15% -ный раствор лимоннокислого аммония (в случае присутствия сульфатов).

Гранулометрический анализ заключается в установлении процентного содержания обломочных частиц определенных размерных интервалов в осадочной горной породе. Этот вид анализа выполняется преимущественно для обломочных песчано-алевритовых, реже гравелитовых пород. При выделении размерных интервалов (фракций) принимают различные границы. У нас в России при литологических исследованиях принято выделять фракции (в мм): >10, 7−10, 5−7, 3−5, 2−3, 1−2, 0,5−1, 0,25−0,5, 0,1 — 0,25, 0,05−0,1, 0,025−0,05, 0,01 — 0,025, < 0,01.

Для анализа пород методом квартования берут пробу породы массой 30−50 г, помещают ее в стеклянный стакан емкостью 500 — 1000 мл и обрабатывают 5% -ной соляной кислотой с целью растворения цемента и дезинтеграции обломочных частиц. При нагревании до температуры 70 °C время обработки должно составлять около 1 ч., а без нагревания — около 1 суток. В некоторых случаях, отмеченных при описании методики определения нерастворимого остатка, породу обрабатывают уксусной, слабой азотной кислотами или щелочами (калиевой, натриевой). После этих процедур нерастворенный остаток промывают водой, при этом одновременно удаляется пелитовая часть (фракция < 0,01 мм). Высушенную, нерастворившуюся часть взвешивают и рассортировывают на ситах с размером ячеек 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0,5, 0,25, 0,1 мм. Если в породе нет гравия, то сита с размером ячеек 1 мм и крупнее не используют. Частицы, прошедшие через отверстия диаметром 0,1 мм, целесообразно разделять на фракции путем отмучивания в воде (по методу Сабанина).

Сущность метода Сабанина заключается в следующем: в воде при равных условиях крупные частицы осаждаются быстрее мелких и, следовательно, они перейдут в осадок в первую очередь. Слив суспензию, отделим эти частицы от остальных. Последовательно увеличивая время пребывания суспензии в сосуде, будем получать все более мелкие фракции. Время, необходимое на переход в осадок каждой из заданных фракций, зависит от объема и высоты сосуда, в котором производится разделение, количества разделяемого материала, плотности воды и других причин. Его можно рассчитать, но надежнее определить экспериментально, при постоянном контроле под микроскопом.

Зная процентное содержание нерастворимого остатка — из предыдущего исследования — и массу исходной навески для' гранулометрического анализа, определяют в ней массу нерастворимой части.

Разность между последней и суммой масс всех обломочных фракций представляет собой пелитовую часть (она была удалена при промывке пробы водой после обработки кислотой). Таким образом, по итогам анализа получают массы нерастворимого остатка пробы породы, каждой обломочной фракции, пелитовой части. На основании этого рассчитывается процентное содержание каждой фракции и пелитовой части, в сумме составляющих 100%.

Описанный способ пересчета данных анализа позволяет сделать ряд специальных графических построений (кривую распределения, гистограмму, кумулятивную кривую и др.) и вычислить некоторые петрографические коэффициенты (медиану, коэффициент отсортированности, моду). Наряду с достоинствами способ имеет и известные дефекты — пересчитанные данные не дают полной характеристики породы, поскольку не учитывается растворимая часть, содержание которой может варьировать в широких пределах. Ряд построений, в том числе палеогеографического и литолого-фациального направлений, в этом случае не может быть выполнен. Для этих целей пересчеты проводят, принимая за 100% всю исходящую навеску, а не один нерастворимый остаток.

Глава 3. Графическое изображение данных гранулометрического анализа

Результаты анализа горных пород в большинстве случаев имеют численное выражение, поэтому для выяснения взаимосвязей между различными геологическими явлениями, наглядного выражения и систематизации аналитических данных прибегают к графическим построениям, статистической обработке, к математическим способам сравнения. Ниже приводятся некоторые способы обработки и изображения аналитических данных.

Столбиковые диаграммы (гистограммы) применяются для изображения результатов гранулометрического анализа. Они строятся в двухкоординатной системе. По оси абсцисс через одинаковые интервалы откладывают размер фракций, а по оси ординат — их содержание (рисунок 22).

Рисунок 22 — Столбиковая диаграмма гранулометрического состава обломочной породы

Достоинство гистограмм — большая наглядность и возможность показа раздельно любой фракции. Недостаток — невозможность совмещения на одной диаграмме нескольких анализов. По гистограммам и кривым распределения, на которых отчетливо отображается как диапазон размерностей зерен, участвующих в строении породы, так и размер преобладающих фракций и ее содержание, может быть произведена оценка отсортированности породы. (Построенная гистограмма по образцу № 1 изображена на рисунке 12).

Кривые распределения строятся для тех же целей, и в таких же координатах, что и столбиковые диаграммы, отличие только в том, что точки, соответствующие положению каждой фракции, соединяются плавной кривой (рисунок 23).

Рисунок 23 — Кривая распределения

Каждый из этих графиков дает наглядное представление о гранулометрическом составе и степени однородности частиц. Резкое количественное преобладание одной из фракций является признаком однородности частиц, их хорошей отсортированности, наоборот, примерно равное содержание размерных фракций свидетельствует о низкой отсортированности и неоднородности частиц. На один график можно нанести для сравнения несколько кривых распределения, в этом преимущество этого построения перед столбиковыми диаграммами, которые изображаются в одиночку. По данным таблицы 1 были построены кривые распределения, изображенные на рисунках 1, 3, 5, 7 и 9.

Кумулятивные или нарастающие кривые имеют широкое применение для изображения состава обломочных пород и определения петрографических коэффициентов. Чаще всего они используются при исследовании песчаных и алевритовых образований. По оси ординат в логарифмическом масштабе откладывают конечные (максимальные) размеры фракций (для фракции <0,01 мм берут величину 0,01 мм, для фракции 0,01−0,025 мм соответственно-0,025 мм и т. д.), а по оси абсцисс — суммарное количество фракций в процентах, размер которых равен конечному и меньше его. Например, при конечном размере фракции 0,01 мм откладывается процентное содержание частиц величиной 0,01 мм и мельче. При конечном размере частиц 0,025 мм откладывается сумма фракции <0.01 и 0,01−0,025 мм; соответственно при конечном размере 0,05 мм суммируется содержание грех фракций: 0,01, 0,01−0,025 и 0,025 — 0,05 мм и в таком же порядке формируются следующие числа.

Кумулятивная кривая позволяет определить ряд петрографических (гранулометрических) коэффициентов, в том числе средний размер зерен (Md — медиана), коэффициент отсортированности, (Sо), коэффициент асимметрии (Sk).

Средний размер зерен — граничная величина частиц, относительно которой одна половина зерен (по массе) данной пробы мельче, а вторая крупнее. Для его определения опускают перпендикуляр на ось ординат из точки, расположенной на кривой с абсциссой 50%. Место пересечения с ординатой соответствует среднему (медианному) размеру обломочных зерен.

Коэффициент отсортированности характеризует степень однородности обломочных зерен по величине и вычисляется с использованием квартилей категорий математической статистики. Применительно к гранулометрическому составу, они означают размер частиц, относительно которых масса меньших по размеру зерен породы составляет 25% (первая квартиль Q₁) и 75% (третья квартиль Q₃) от массы нерастворимой части породы.

Квартили определяют путем опускания перпендикуляров на ось ординат из точек, расположенных на кумулятивной кривой с абсциссами 25 и 75%. Коэффициент отсортированности представляет собой соотношение квартилей: So=Qз / Q1. Первоначально Траск предложил определять: So= vQ3/Q1 в таком виде эта величина применяется иногда и в настоящее время.

Для идеально отсортированных зерен (имеющих одинаковый размер) So=1. С понижением степени однородности обломочных частиц So возрастает. Принято считать хорошо отсортированными частицы, для которых коэффициент отсортиррванности варьирует в пределах от 1 до 2,5, средне отсортированными — у которых So = 2,5 — 4,5 и, наконец, слабо отсортированными, если So >4,5.

Коэффициент асимметрии показывает положение преобладающей размерности по отношению к медиане. Он вычисляется по формуле

Значения Sк<1 указывает на преобладание крупных фракций (крупнее медианы), при Sк >1 среди обломочных частиц преобладают мелкие (мельче Мd).

Описанная методика определения петрографических коэффициентов обладает одним недостатком — малой чувствительностью к изменению весовых процентов гранулометрического состава, а частицы, составляющие менее 25% и больше 75%, не учитываются вообще. В этой связи были предложены новые приемы расчета петрографических коэффициентов, но и они не лишены недостатков.

Для вычисления петрографических коэффициентов сейчас составлены специальные программы, которые дают возможность, используя ЭВМ, существенно ускорить обработку аналитических данных.

Кумулятивные нарастающие представлены на рисунках 2, 4, 6, 8, 10.

Треугольные диаграммы весьма удобны для изображения литологического состава пород. На них можно показать в виде точки любую трехкомпонентную систему, состоящую из 100 единиц (100%). Каждая из вершин соответствует 100%о одного из трех компонентов, а противолежащая ей сторона — нулевому содержанию этого же компонента.

Породы обычно состоят из множества компонентов, поэтому для изображения на треугольной диаграмме необходимо объединить их в три группы по диалогическим и генетическим признакам. В случае терригенных пород целесообразно объединить в одну группу все фракции песка, во вторую — все фракции алеврита, третью должны составить пелит и глинистый материал. В карбонатных породах в самостоятельные группы выделяют кальцит, доломит и нерастворимую часть. В зависимости от целей исследования возможна группировка по другим признакам.

Рисунок 24 — Треугольная диаграмма с изображением породы трехкомпонентного состава.

На треугольной диаграмме можно показать практически неограниченное количество образцов, что позволяет установить особенности изменения литологического состава пород одного возраста в пределах заданной территории или проследить эволюцию их в течение геологического времени в одном районе (разрезе).

Треугольная диаграмма изображена на рисунке 14.

Глава 4. Гранулометрический состав песчано-алевритовых пород как показатель гидродинамической обстановки их осадконакопления

Осадочные породы состоят из обломков минералов и пород. Особенности этих обломков в определенной степени зависят от условий их образования. Максимальные размеры обломочного материала, дифференциация его по размерам определяются гидродинамическими условиями бассейна осадконакопления. Неоднократно пытались использовать подобные параметры в качестве индикаторов среды осадконакопления.

В результате проведения гранулометрического анализа получают данные о размере зерен составляющих породы. Размер зерен служит мерой энергетических условий седиментации, а также энергетического потенциала бассейна осадконакопления. Как правило, более грубые осадки встречаются в высокоэнергетических средах, а более тонкие — в низкоэнергетических.

Установлено, что размеры обломков уменьшаются в направлении транспортировки. Эта закономерность отчетливо выявляется в речных отложениях, где размеры обломков уменьшаются по течению (примером может служить распределение галечного материала). Размеры зерен в песчаных породах изменяются постепенно; уменьшение их размеров заметно лишь на значительных расстояниях.

Уменьшение размеров обломков вниз по течению объясняется двумя процессами: истиранием и сортировкой. Последний процесс представляется более важным. В песчаных породах размеры обломков уменьшаются в результате сортировки во время транспортировки. При уменьшении энергии и транспортирующей способности среды откладывается более грубый материал, а тонкий уносится дальше.

Изучение колебаний размеров обломочных зерен по площади может способствовать реконструкции бассейна седиментации. Однако следует помнить о всевозможных отклонениях, которые могут встречаться в морских мелководных обстановках, куда постоянно приносятся осадки и где одновременно перерабатываются ранее привнесенные.

При попытках реконструкции среды осадконакопления до сих пор использовались показатели распределения обломков по размерам (формы кумулятивных кривых, кривые частоты встречаемости, гистограммы и различные другие параметры).

Существует несколько способов изображения размерности обломков на графиках и их статистической обработки. Наиболее распространены гистограммы, кривые частоты встречаемости и кумулятивные кривые. Обычно кумулятивные кривые строятся на логарифмической вероятностной бумаге. По кривым определяются квартили Q₁ (25%), Q₂ (50%) и Q₃ (75%). При помощи квартилей вычисляются следующие параметры Траска: медианное значение размеров обломков (Мd): Q₂; коэффициент сортировки (So); асимметрия (Sк). При помощи квартилей вычисляется эксцесс по формуле:

где Р₉₀ — персентиль (90) и Р₁₀ — персентиль (10).

Диаграмма наиболее распространенных типов кривых распределения осадков:

Рисунок 25 — Частотная, кумулятивная, логвероятностная кривые.

Кривые 1 и 2 наносятся на график по арифметической шкале, кривая 3 — по логвероятностной шкале. Обычно вычисляются три параметра Q₁ (25%), Q₂ (50%) и Q₃ (75%). Вишер отмечал, что во многих случаях распределение по размерам зерен дает три логнормальные группировки. Он предположил, что эти группировки связаны, вероятно, с тремя способами транспортировки осадков — во взвешенном состоянии, сальтацией и перекатыванием.

Было доказано, что коэффициент сортировки в значительной степени влияет на медианный размер обломков. Гранулометрическим анализом установлено, что наилучшей сортировкой обладают частицы размером 0,1 — 0,2 мм. Следует отметить, что в одном слое размер зерен колеблется в значительно более узких пределах, чем во всех образцах в целом; это свидетельствует о лучшей сортировке отдельных слоев. Коэффициент сортировки одного слоя называется элементарной сортировкой. Элементарная сортировка представляет собой оптимальную сортировку осадка при данном размере обломочных частиц. Существует также и относительная сортировка, равная отношению средней сортировки к элементарной. Для однородных образцов коэффициент относительной сортировки равен единице, для гетерогенных — больше единицы. Коэффициент сортировки часто используется как индикатор обстановки осадконакопления. Однако в большинстве случаев он дает только сравнительные характеристики. Так для современных условий осадконакопления можно отметить, что прибрежные пески имеют лучшую сортировку, чем пески приливно-отливной полосы.

Диаграмма зависимости коэффициента сортировки (QDф) от медианного диаметра (Мd) для осадков из различных обстановок и районов осадконакопления.

Рисунок 26 — Данные гранулометрического анализа для единичных прослоев различных обстановок.

Пунктирные линии соответствуют значениям QН (относительному коэффициенту сортировки). Осадки со значением QН<1-остаточные.

До настоящего времени пытаются воссоздать обстановки осадконакопления с помощью статистических параметров, вычисленных по гранулометрическому распределению. Дуглас вычислил значения «фи» Уэнтуэрта из Q1 Md, Q3, 1% -ной и 99% -ной доли, где «фи» — диаметр частиц, выраженный как отрицательный логарифм размера зерен в миллиметрах при основании 2 Дуглас пытался воссоздать обстановки осадконакопления по формам свойственных им кривых гранулометрического распределения. По форме кривых гранулометрического распределения он пытается воспроизвести различные мелководные морские обстановки осадконакопления.

Пассега для анализа обстановок осадконакопления предложил использовать СМ-диаграммы. Строя диаграммы по М (медианное значение) и С (1% -ная доля — приближенное значение максимального размера зерен) параметрам, он получает СМ-диаграмму, положение точек на которой зависит от способа седиментации. Положение какого-либо осадка на СМ-диаграмме определяется способом транспортировки, и осадки из разных сред дают соответствующие графики. Таким образом, СМ-диаграммы могут служить в некотором роде отправной точкой для распознавания обстановок осадконакопления. (Результаты исследования осадконакопления по генетической диаграмме Пассега приведены в таблице 5, диаграмма изображена на рисунке 13)

Рисунок 27 — С/М-диаграмма и ее значение для объяснения механизма транспортировки.

Сегменты I, II, III, IX выделены для С больше 1 мм и в основном соответствуют осадкам перекатывания при незначительном количестве осадков взвеси. Сегменты IV, V, VI, и VII выделены для С < 1 мм и в основном соответствуют осадкам взвеси и в меньшей мере осадкам перекатывания.

В названии диаграммы заключена определенная картина распределения зерен осадка по размеру и отражен способ транспортировки и осаждения. Следовательно, эти «картины фракций» дают информацию о гидродинамических условиях седиментации.

Рисунок 28 — Кривая гранулометрического распределения осадков на вероятностной шкале.

Известно, три основных способа транспортировки осадков: перекатывание, сальтация и перемещение во взвешенном состоянии. Роль этих процессов в седиментации известна давно, однако лишь недавно Мосс установил, что в одном образце могут содержаться все типы осадков, связанные с тремя способами транспортировки. Вишер связывает формы гранулометрических кривых со способами транспортировки и приводит формы кривых, типичных для современных и древних областей осадконакопления.

Основная идея рассматриваемого вида анализа — распознавание субпопуляций осадков в конкретном гранулометрическом распределении. Эти субпопуляции легко выделяются при анализе вероятностных логарифмических кривых гранулометрического распределения.

Каждая такая логнормальная субпопуляция осадков связана со способом транспортировки (взвесь, перекатывание, сальтация). Транспортировка во взвешенном состоянии

Максимальный размер обломочных частиц, которые могут содержаться во взвеси, не превышает 0,1 мм.

Однако эта величина сильно зависит от гидродинамических условий в момент седиментации. Между взвесями и донным материалом постоянно идет взаимный обмен, и донный материал, как правило, содержит некоторое количество тонкого материала, осаждаемого из взвеси. По логвероятностным кривым этот материал легко выделяется в самостоятельную субпопуляцию.

Транспортировка сальтацией.

Относительно максимального размера частиц, транспортируемых сальтацией, существует очень мало сведений. Максимальные размеры частиц, транспортируемых сальтацией, по-видимому, контролируются различными гидродинамическими факторами: скоростью течения, глубиной воды и характером ложа.) На графиках, построенных на логвероятностной основе, видно, что более грубые частицы составляют самостоятельную субпопуляцию. В отдельных случаях при активных противотоках имеются две четкие субпопуляции сальтации, которые отличаются друг от друга только незначительным отклонением медианных значений и сортировкой.

Транспортировка перекатыванием

Обломки осадочных пород, транспортируемые перекатыванием, составляют наиболее грубообломочные компоненты образцов. На графиках гранулометрического распределения видно наличие в этих осадках грубообломочной субпопуляции, которая отличается медианными размерами и сортировкой обломков от двух других субпопуляций.

Фаллер отметил, что в большинстве случаев разрыв между субпопуляциями сальтации и перекатывания находится вблизи значения 2 «фи» .

Гранулометрические графики на логвероятностной бумаге состоят из прямолинейных отрезков, каждый из которых соответствует одной субпопуляции. Каждая субпопуляция обнаруживает логнормальное распределение и отличается от других субпопуляций медианным значением и стандартным отклонением.

В работе Фюхтбауэра и Мюллера обобщены сведения по гранулометрическим параметрам.

Гранулометрические параметры осадков морских обстановок осадконакопления.

(По Фюхтбауэру и Мюллеру)

Морская обстановка:

а) пляжи. Сортировка пляжных отложений наилучшая (в основном 1,11,23), асимметрия, как правило, более 1, на логарифмической вероятностной бумаге кумулятивные кривые дают две субполяции сальтации;

б) мелководные морские отложения (приливно-отливные полосы и шельфы). Сортировка плохая, асимметрия менее 1, на дальнем шельфе песчаные фракции практически отсутствуют;

в) глубоководные отложения (континентальный склон и абиссальная равнина). На континентальном склоне глинистый алеврит, на абиссальной равнине алевритистая глина; включают более грубозернистые отложения турбидитных потоков.

Результаты исследования осадконакопления по Фюхтбауэру и Мюллеру приведены в таблице 5.

В морской зоне имеются низкоэнергетические и высокоэнергетические среды. Высокоэнергетические среды седиментации характеризуются более грубозернистыми и лучше сортированными осадками, а низкоэнергетические мелкозернистыми и плохо сортированными осадками. Графики гранулометрического распределения могут быть полезны для окончательного восстановления обстановки осадконакопления, хотя при этом всегда надо учитывать возможность некоторых отклонений.

Основная причина неудач при использовании гранулометрического распределения в качестве индикатора среды кроется в том, что гранулометрическое распределение является производной гидродинамических условий среды.

Другая причина — поступление гранулометрического, разнородного материала и смешение его. Прибрежные пески, например, обычно характеризуются хорошей сортировкой и незначительным количеством или полным отсутствием тонкозернистого материала.

Возможность применения гранулометрических параметров к древним осадкам из-за различных отклонений еще более ограниченна. Здесь на гранулометрическое распределение могут влиять постседиментационные изменения (диагенез). Более того, для древних отложений имеется очень мало данных относительно характера областей осадконакопления, близости их к источнику сноса и даже собственно осадочного происхождения тех или иных фракций.

Уже предварительный обзор данных гранулометрического анализа позволяет установить некоторые важные особенности условий отложения пород. Так, по размеру преобладающих обломочных зерен можно судить о скорости движения среды отложения, а по степени их однообразия — о длительности переноса. Многое может дать сравнение содержания в образце зерен различного размера. Одновершинная кривая распределения зерен по их величине образуется при осаждении обломочного материала, в общем соответствующего по размерам зерен преобладающей скорости движения среды отложения. Если же такого соответствия нет, то некоторое время обломочные отложения характеризуются двух — и трехвершинными кривыми распределения. Например, если глинистая порода, содержащая небольшое количество песчаных частиц, будет переоткладываться в реке, то в ней увеличится количество песчаных зерен, уменьшится содержание глинистых частиц, и общая кривая распределения зерен по их величине станет двухвершинной. Затем: глинистые частицы будут почти целиком удалены и образуются пески с одновершинной кривой распределения. Таким образом, двух — или трехвершинные кривые распределения наблюдаются у тех отложений, гранулометрический состав которых находится стадии перестройки.

В некоторых случаях двухвершинность кривой распределения зерен может быть обусловлена взятием образцов из ясно слоистых пород, отдельные слойки в которых сложены зернами резко различной величины.

Следующим этапом обработки данных гранулометрического состава, после их предварительного анализа, является вычисление гранулометрических коэффициентов, т. е. чисел, характеризующих основные особенности гранулометрического состава.

Основой для вычисления гранулометрических коэффициентов по этому способу является нарастающая кривая (кумулятивная). По оси абсцисс этой кривой откладываются конечные размеры зерен, а по оси ординат — количество зерен, больших или меньших данного размера.

Гранулометрические коэффициенты позволяют сравнить гранулометрический состав различных пород. Кроме того, их величина в некоторой мере отражает и условия их образования. Так, увеличение среднего размера зёрен указывает на возрастание скорости движения среды отложения и указывает на фациальный план горизонта.

Величина коэффициента сортировки в известной мере зависит от условий отложения. Прибрежные пески характеризуются, например, значительно лучшей сортировкой по сравнению с речными песками. Объясняется это тем, что при неоднократном взмучивании песков в прибрежных условиях из них удаляются все частицы другого размера. Таким образом, по степени сортировки судят, например, о длительности динамической обработки материала, в процессе которой обломочные осадки стремятся стать монофракционными, а их кривые распределения становятся всё более сжатыми и высокими. Наоборот, полифракционные указывают на смешение материала из разных источников или на отсутствие переработки.

Морские осадки, состоящие только из обломочных частиц, претерпевших длительное переотложение, обычно хорошо отсортированы. Если же в их состав входят органические остатки, выпавшие из раствора, то сортировка их значительно ухудшается, что обусловливает многовершинный характер кривых распределения.

Безразмерный параметр асимметрии даёт относительную оценку энергетических уровней живых сил среды осадконакопления. Положительные значения указывают на высокие энергетические уровни, активную аэрои гидродинамику. Такие уровни характеризуются более грубозернистыми и лучше сортированными осадками. Отрицательные значения указывают на низкие энергетические уровни, стремящиеся к тиховодным условиям, они характеризуются мелкозернистыми и плохо сортированными осадками.

Одним из распространённых методов определения способов переноса зёрен песков, а как следствие определение обстановок, являются кумулятивные кривые Г. С. Вишера. Известно три основных способа транспортировки осадков: перекатывание, сальтация и перемещение во взвешенном состоянии. Роль этих процессов в седиментации известна давно, однако лишь недавно Мосс установил, что в одном образце могут содержаться все типы осадков, связанные с тремя способами транспортировки. Вишер связывает формы гранулометрических кривых со способами транспортировки.

Основная идея рассматриваемого вида анализа — распознавание субпопуляций осадков в конкретном гранулометрическом распределении. Эти субпопуляции легко выделяются при анализе вероятностных логарифмических кривых гранулометрического распределения. Каждая такая логнормальная субпопуляция осадков связана со способом транспортировки (взвесь, перекатывание, сальтация).

Транспортировка во взвешенном состоянии. Максимальный размер обломочных частиц, которые могут содержаться во взвеси, не превышает 0,1 мм. Однако эта величина сильно зависит от гидродинамических условий в момент седиментации. Между взвесями и донным материалом постоянно идет взаимный обмен, и донный материал, как правило, содержит некоторое количество тонкого материала, осаждаемого из взвеси. По логвероятностным кривым этот материал легко выделяется в самостоятельную субпопуляцию.

Транспортировка сальтацией. Относительно максимального размера частиц, транспортируемых сальтацией, существует очень мало сведений. Максимальные размеры частиц, транспортируемых сальтацией, по-видимому, контролируются различными гидродинамическими факторами: скоростью течения, глубиной воды и характером ложа. На графиках, построенных на логвероятностной основе, видно, что более грубые частицы составляют самостоятельную субпопуляцию. В отдельных случаях при активных противотоках имеются две четкие субпопуляции сальтации, которые отличаются друг от друга только незначительным отклонением медианных значений и сортировкой.

Транспортировка перекатыванием. Обломки осадочных пород, транспортируемые перекатыванием, составляют наиболее грубообломочные компоненты образцов. На графиках гранулометрического распределения видно наличие в этих осадках грубообломочной субпопуляции, которая отличается медианными размерами и сортировкой обломков от двух других субпопуляций.

Обоснованная и очень интересная интерпретация результатов гранулометрического анализа приводится Д. Дугласом (1964). Основная задача, которую ставит перед собой исследователь, — найти такие признаки гранулометрического состава, которые позволили бы судить о генезисе песчаной породы, об обстановке накопления, направлении переноса и режиме течения. Анализируя формы кривых, соответствующих терригенным осадкам, Д. Дуглас приходит к выводу о том, что разные генетические типы характеризуются определёнными типами кривых распределения.

Рисунок-29 Типы кривых по Дугласу.

Например, кривые типа r указывают на течения с постоянной скоростью (морские), кривые типа s указывают на то, что осадки откладываются в среде, где транспортирующая способность течений уже не так велика, а наличие кривых типа Т говорит о спокойной среде осадконакопления. Существуют также смешанные типы кривых, которые характерны для течений с изменяющейся скоростью.

В работе Фюхтбауэра и Мюллера обобщены сведения по гранулометрическим параметрам. Морская обстановка:

а) пляжи. Сортировка пляжных отложений наилучшая (в основном 1,1 — 1,23), асимметрия, как правило, более 1, на логарифмической вероятностной бумаге кумулятивные кривые дают две субпопуляции сальтации;

б) мелководные морские отложения (приливно-отливные полосы и шельфы). Сортировка плохая, асимметрия менее 1, на дальнем шельфе песчаные фракции практически отсутствуют;

в) глубоководные отложения (континентальный склон и абиссальная равнина). На континентальном склоне глинистый алеврит, на абиссальной равнине алеврнтистая глина; включают более грубозернистые отложения турбидитных потоков.

Результаты исследования осадконакопления по Дугласу приведены в таблице 3.

Глава 5. Палеогидродинамическая обстановка осадконакопления песчано-алевритовых пород и влияние ее на коллекторские свойства

Данные гранулометрического анализа, представленные в виде многочисленных цифр, характеризующих содержание разнообразных фракций, мало наглядны и трудно сопоставимы, в особенности если сравниваемые анализы выражены в различных фракциях. Поэтому применяются графические и математические способы сравнения полученных результатов. Простейшим видом графической обработки является построение столбчатых прямоугольных диаграмм (гистограмм). По данным гранулометрического анализа была построена гистограмма, которая изображена на рисунке 12. По оси абсцисс откладывались размеры фракций в миллиметрах, а по оси ординат откладывалось содержание соответствующих фракций в процентах. Применение гистограмм делает данные гранулометрического анализа более наглядными. По диаграмме, изображенной на рисунке 12 можно сказать, что в образце преобладают фракции <0.01 мм, то есть в породе преобладает глинистая фракция. Также по данным гранулометрического анализа была построена циклограмма (рисунок 11). Циклограмма представляет круг, разделенный на секторы, площади или дуги которых пропорциональны содержанию фракций. Она дает наглядное изображение процентного содержания различных фракций. В данном образце содержится в большей части глинистые частицы (<0.01 мм). Данный график для сопоставления массовых анализов неудобен. В некоторых случаях для сравнения гранулометрического состава удобны треугольные диаграммы. При построении треугольных диаграмм фракции следует объединить по группам: в одну группу — песчаные, в другую — алевритовые, в третью — глинистые. Если есть гравийная фракция, то она присоединяется к песчаной. Каждому из полюсов треугольной диаграммы соответствует стопроцентное содержание одной из трех фаций. На такой диаграмме породы, состоящие только из глинистых, алевритовых или песчаных частиц, будут представлены точками, расположенными в вершинах треугольника, а образцы, состоящие только из двух типов частиц будут представлены точками на стороне треугольника, соединяющей полюса двух фракций. Если же в образце содержатся частицы всех трех типов, то соответствующая точка расположится внутри треугольника. по данным гранулометрического анализа я построила треугольную диаграмму (рисунок 14). По данной диаграмме можно сказать, что большую часть образцов составляют пески, — это образцы под номерами 1−11, 13, 14, 16, 17, 18, 20−25. Образцы 12,15 и 19 — супесь. Более подробные результаты приведены в таблице 2. В работе были построены кривые распределения (рисунки 1, 3, 5, 7,9) по которым можно судить о длительности процесса динамической обработки материала. Образцы под номерами 3, 5, 10, 12, 25 характеризуются кривыми распределения, имеющими двухвершинный характер. Такие кривые могут свидетельствовать о продолжающемся процессе переработки материала. Также такими поливершинными кривыми обладают осадки, приносимые из нескольких источников сноса, возможно данные образцы относятся именно к этой категории осадков. Остальные образцы характеризуются более сжатыми и высокими кривыми, что говорит о преобладании в составе одной фракции. Это свидетельствует о длительной динамической обработке осадка и указывает на завершение процесса переработки материала. На рисунках 2, 4, 6, 8, и 10 изображены кумулятивные (суммарные нарастающие). Их применяют как для изображения одного анализа и вычисления гранулометрических коэффициентов, так и для сопоставления небольшого числа анализов. Кумулятивные кривые по сравнению с гистограммами менее наглядны, т.к. содержания отдельных фракций на них непосредственно не выражаются. Однако по кумулятивной кривой можно определить содержание любой фракции, даже не определявшейся механическим анализом. Кроме того, более простой вид графика позволяет наносить на одну диаграмму несколько кривых и затем сравнивать их. Кумулятивная кривая позволяет определить ряд петрографических (гранулометрических) коэффициентов, в том числе средний размер зерен (Md — медиана), коэффициент отсортированности, (Sо), коэффициент асимметрии (Sk). Все образцы Плавенсой площади характеризуются малыми размерами медианного диаметра, что говорит о низких скоростях движения среды. Рассматривая такой параметр как степень отсортированности, можно отметить, что встречаются образцы как с хорошей и средней степенью отсортированность, так и с плохой. Образцы, которые хорошо отсортированы, по всей вероятности подвергались более длительной динамической обработке, в процессе которой из них вымывались более мелкие частицы, а осадки становились все более монофракционными. Образцы которые имеют более высокий коэффициент сортировки свидетельствуют о еще незаконченном процессе переработки материала на данной площади. Значения всех гранулометрических коэффициентов приведены в таблице 2. По гранулометрическим параметрам обстановка осадконакопления пород по Фюхтбауэру и Мюллеру: пляжи, а так же мелководные морские отложения (результаты приведены в таблице 5). Так же была определена обстановка осадконакопления по генетической диаграмме Пассега (Рисунок 13): большая масса образцов относится к отложениям турбидитных потоков. Условия осадконакопления по Вишеру (таблица4): отложения турбидитных потоков, присутствуют осадки волноприбойной зоны, зоны погружения и пляжей. Условия осадконакопления по Дугласу (таблица 3): преобладают прибрежные отложения со скоростью, изменяющейся от нулевой до умеренной. В конечном итоге можно сделать вывод, что основная масса отложений формировалась в зоне турбидитных отложений. В результате проделанной работы было выяснено, что происходило изменение глубины дна морского бассейна, с этим связано обилие осадков волноприбойной зоны, осадков пляжа, турбидитных и мелководных отложений.