Тема 2. Пористость, глинистость, карбонатность

Твердая фаза заполняет часть объема горной породы; в незаполненном ею пространстве находятся жидкая и газовая компоненты пород. Свойство пород содержать не заполненные твердой фазой объемы называется пористостью. Объем пор сложен из отдельных небольших пространств — пор, поэтому его нередко именуют поровым пространством горных пород. Поры различают по происхождению, форме, размеру, взаимосвязи. Поры бывают первичные и вторичные.

2.1. Происхождение и параметры порового пространства

Происхождение пор. Первичные поры возникают при образовании породы и изменяются по величине и форме при ее уплотнении, цементации, метаморфизации. Первичные — это структурные поры между гранулами обломочных (песчаных, алевритовых, глинистых, известково-магнезиальных) пород, межкристаллические поры плотных магматических и мтаморфических, осадочных пород.

Вторичные (новые) поры — каверны, трещины, каналы в теле пород образуются при их растворении, выветривании, кристаллизации, перекристаллизации, доломитизации известняков, тектонических и биохимических процессах.

Каверны возникают при выщелачивании водами трещиноватых карбонатных пород и гипсов. Трещины разных направлений появляются в плотных породах в результате резких изменений их объемов при значительных перепадах температур, давлений, в результате процессов кристаллизации, перекристаллизации, доломитизации.

Каналовидные поры наблюдаются в породах на месте сгнившей корневой системы растений, ходов червей и других животных.

Форма пор. По форме поры могут бытъ: близкие к ромбоидальным, близкие к тетраэдрическим, щелевидные, в виде расширяющихся и сужающихся канальцев неправильной формы; трещиновидные, каверновидные, пузырчатые, ячеистые, каналовидные.

Размер пор. Размер отдельных пор характеризуется эффективным (средним) диаметром, или поперечным сечением.

По эффективному диаметру d_эф выделяют:

1) сверхкапиллярные поры диаметром более 10^-1 мм;

2) капиллярные поры диаметрами 10^-14-10^-1 мм;

3) субкапиллярные, эффективный диаметр от 2•10^-6 до 10^-4 мм, свойственны адсорбентам (глинам, мелоподобным известнякам, диатомитам, трепелам, пепловым туфам и др.);

4) микропоры с d_эф < 2•10^-6 мм (природных цеолитов).

В основу классификации пор по размерам положены данные о характере связи поровой жидкости с твердой компонентой и ее передвижении в породах. В сверхкапиллярных порах доля воды, связанной с твердым компонентом, невелика, и основной ее объем движется по направлению действия силы тяжести. В порах капил­лярных содержание связанной воды больше, и ее падению под действием силы тяжести препятствует капиллярный подъем.

В субкапиллярных порах природные воды практически неподвижны; они прочно связаны с твердым компонентом пород и адсорбированными ионами. В микропорах, диаметр которых соизмерим с размерами молекул, находится только прочносвязанная вода толщиной в одну молекулу. Этой жидкостью поры заполняются под действием адсорбционных сил. Подвижность воды очень мала.

Взаимосвязь пор и виды пористости. Поры пород как связаны, так и не связаны друг с другом. Взаимосвязанные поры названы открытыми, а несвязанные - закрытыми. Последние встречаются у карбонатных, магматических пород.

Сумма объемов V_пор.о и V _пор.з соответственно открытых и закрытых пор является V_пор общей пористостью:

V _пор ⁼ V _пор.о + V _пор.з

Структура порового пространства пород

Поровый состав. Поровый состав (распределение пор по размерам) — важнейшая структурная характеристика пород, которая определяет совокупность концентраций различных по эффективному диаметру пор в поровом объеме пород. Концентрация определенных по размеру пор в их смеси (поровом объеме) выражается (объемно-объемным способом) в долях объема всех пор породы.

Поровый состав несцементированных обломочных пород в основном зависит от их гранулометрического состава.

У грубо-, крупно-, и среднезернистых хорошо отсортированных и слабо сцементированных пород преобладают относительно крупные и близкие по размерам поры. У таких же, но мелко- и тонкозернистых пород больше всего мелких и тонких пор. У плохо отсортированных несцементированных обломочных пород разные по размерам мелкие и тонкие поры встречаются примерно в равных долях.

Поровый состав сцементированных обломочных пород обусловлен гранулометрическим составом и цементом. Встречаются поры самых разных эффективных диаметров, но доля крупных пор уменьшается, а мелких и субкапиллярных возрастает.

Разнообразен и очень сложен поровый состав карбонатных пород. Среди биогенных известняков встречаются, ракушечники и водорослевые известняки, сложенные почти целыми раковинами и сохранившимися остатками водорослей. В поровом пространстве таких пород преобладают крупные и одинаковые по размеру поры. Детритовые и биодетритовые разности биогенных известняков состоят из различных по крупности обломков раковин. В их поровом составе больше мелких пор. Известняки и доломиты хемогенного происхождения тонко-, мелко- и среднезернисты, реже имеют оолитовую структуру. У пелитоморфных карбонатных пород преобладают одинаковые по размеру поры, у оолитовых известняков они также близки по размеру, но гораздо крупнее. У других разностей хемогенных карбонатных пород размер относительно одинаковых по величине пор определяется размером слагающих их зерен. Все названные выше карбонатные породы в результате вторичных изменений могут содержать также каверны, сульфатизированные участки, их поровый состав сложный.

У кристаллических пород поровый состав зависит от формы и размеров кристаллов их пузырчатости и трещиноватости.

Поверхность порового пространства пород - это поверхность, отделяющая твердую фазу пород от всех остальных. Свойство пород иметь разную поверхность порового пространства оценивается удельной поверхностью S объемной или массовой. Удельная поверхность измеря­ется в м²/м³ (или м^-'), либо - см²/см^з (или см^-1).

Удельная поверхность пород зависит от минерального и гранулометрического составов, формы зерен, содержания и типа цемента. Она уменьшается с увеличением среднего диаметра зерен и снижением содержания глинистого цемента. Однако значения S определяются в основном глинистостью обломочных пород. Возрастает удельная поверхность также с увеличением остаточного водонасыщения. Наибольшую удельную поверхность имеют природные адсорбенты: глины, трепелы, отдельные разновидности бокситов, туфовые пеплы и некоторые другие породы аналогичного типа. В их гранулометрическом составе преобладают очень мелкие частицы с d_эф. от (18*10^-4 до 0,2 мкм, а S_т находится в пределах (10-400) 10³ м²/кг. Гораздо меньше [(0,5-2)*IО³ м³кг] удельная поверхность у относительно хорошо отсортированных, окатанных, слабо сцементированных, средне- и крупнообломочных пород.