Изучение и описание обнажений

Простейшая работа геолога состоит в изучении обнажений (выходов) горных пород, выступающих на равнинах обычно только по долинам рек, по оврагам, а в холмистых и горных областях также и на склонах, вершинах и водоразделах. В районах, где нет леса и травянистый покров несплошной, горные породы выступают почти всюду. Различают породы, слагающие молодой рыхлый покров, образовавшийся в течение четвертичного периода, за последний миллион лет, и коренные породы, лежащие под ним. К четвертичным относятся отложения рек и озер — аллювий; наносы склонов, отложенные дождями,— делювий; оползни и осыпи; наносы, образовавшиеся при разрушении более древних пород на месте,— элювий; отложения ветра — эоловые. Коренные породы дочетвертичные разделяются по происхождению на осадочные (из морских или наземных осадков), магматические (образовавшиеся при остывании магмы внутри земной коры или на поверхности или путем переплавления осадочных пород) и метаморфические (преобразованные породы первых двух групп). К коренным породам из четвертичных обычно относят магматические (например, покровы лав) и те из рыхлых отложений, которые сцементированы в крепкую породу позднейшими процессами. При детальной геологической съемке изучают все обнажения снимаемой площади. Работая по определенной теме, выбирают те обнажения, которые могут дать ответ на поставленные вопросы. Обычно наиболее полные и свежие обнажения находятся в долинах рек и в оврагах. Все наблюдения отмечают в записной книжке на месте, у обнажения. Записи должны быть четкими и полными; следует писать только на правой стороне, оставляя левую для рисунков, дополнительных замечаний и выводов, которые могут быть сделаны вечером. Каждое обнажение (точка наблюдения) имеет свой порядковый номер. Ежедневная запись начинается с числа, дня недели и месяца и с обозначения участка работ или исходной точки маршрута. Приступая к описанию обнажения, помечают его номер, подчеркнутый или обведенный кружком (рамкой), и указывают местоположение. Полевую рабочую геологическую карту нужно иметь с собой. Точки обнажений наносятся на карту с большой тщательностью и обозначаются теми же номерами, что и в записной книжке. При хорошей обнаженности на карте могут быть, кроме точек обнажений, прочерчены пласты, или дайки, выступающие в виде грядок, контакты массивов магматических пород; особенно успешно это можно делать на аэроснимках. Раскраска заснятого за день участка производится обычно вечером, цветными карандашами, а границы обводятся цветной тушью. Общепринятая раскраска свит по их возрасту приведена в хронологической таблице в конце статьи, но так как обычно приходится вводить более дробное деление свит и возраст данной толщины может быть не известен, то на полевой карте применяют произвольную раскраску. Магматические породы обозначают следующими красками:

Интрузивные породы (магматические, глубинные) Кислые и средние — красной (кармин) Основные — густой оливково-зеленой Ультраосновные — густой темно-фиолетовой Щелочные — оранжевой Молодые третичные и четвертичные лавы Кислые — оранжево-красной Основные — темно-зеленой.

Более древние лавы и туфы обозначают цветом той геологической системы, к которой они принадлежат по времени излияния, добавляя особые значки (точки, галочки, треугольники и т. п.), нанесенные по всему полю, занятому этой породой. Элементы залегания определяют горным компасом; способы работы с ним описаны в гл. 1. Пользуясь горным компасом, мы непосредственно получаем нужный азимут, а отсчет обычного компаса требует еще дополнительных преобразований (рис. 1, фиг. А и Б). Полевые записи производятся в магнитных азимутах; только при нанесении элементов залегания на карту и при камеральной обработке вводятся поправки. Величину магнитного склонения в районе работ можно установить по карте склонений (см. гл. I). Простирание пласта — это направление горизонтальной линии, проведенной в его плоскости (рис. 1, фиг. В); записывают азимут этой линии в северных румбах (NW и NO или СЗ и СВ), которые на 180° отличаются от южных (SO и SW или ЮВ и ЮЗ). Записи производятся с точностью до 1—5°. Падение пласта — направление линии, проведенной в плоскости пласта перпендикулярно к линии простирания, и угол, образуемый ею с горизонтальной плоскостью (рис. 1, фиг. В). Записывают обычно после записи простирания с указанием румба и угла падения (например, простирание СЗ 345°, падение ЮЗ <200). При употребляющейся иногда другой системе записей, более краткой, но менее удобной, простирание не записывают, а отмечают азимут падения и его угол (например, для того же отсчета падение ЮЗ 255° <200). При вертикальном падении записывают обязательно азимут простирания; если пласты опрокинуты, то отмечают это рядом с записью.

Непосредственное измерение элементов залегания производят на пластах, где плоскости напластования хорошо видны и падение отчетливо. Для определения простирания длинную сторону компаса прикладывают к воображаемой горизонтальной линии пласта арретиром к себе, севером от себя и записывают показание северного конца стрелки. Падение определяют, поставив компас на ребро вдоль линии падения, и отсчет производят по отвесу. Так как поверхности пластов редко бывают ровные, то надо произвести несколько отсчетов и взять среднее. Во многих случаях к поверхности пласта компас приложить нельзя, и приходится определять простирание, располагая компас параллельно воображаемой линии, а падение — держа компас в вытянутой руке (рис. 1, фиг. Г). Эти измерения надо производить с большой осторожностью, осмотрев все обнажение, так как видимое простирание в обрыве часто отличается от истинного. На поверхностях сбросов и надвигов, кроме простирания и падения самой их поверхности, определяют простирание штрихов и борозд скольжения (поставив на них вертикально записную книжку и измеряя ее азимут). Особенно трудно определить условия залегания при ложной сланцеватости (кливаж), часто совершенно маскирующий плоскости напластования. Определение мощности пластов осадочных пород, покровов эффузивных пород, пластовых интрузий и даек. Непосредственное измерение можно производить рулеткой или ручкой молотка, когда слои лежат горизонтально и вскрыты в обрыве; при вертикальном залегании пластов их мощность так же точно можно замерить рулеткой или (менее точно) шагами.

Горизонтально лежащие пласты, обнаженные в обрыве, доступном для восхождения, измеряют различными способами: а) определяя угол наклона склона возле каждого отдельного пласта и видимую его мощность по этому наклону; мощность вычисляется из прямоугольного треугольника по гипотенузе и углу; б) при помощи любого нивелира. Можно устроить самодельный карманный нивелир, состоящий из кольца, на котором подвешена короткая металлическая трубка (рис. 2, фиг. А). Наблюдатель, став у основания пласта, держит прибор за кольцо и визирует через трубку (устанавливающуюся приблизительно горизонтально) на точку склона, лежащую на высоте его глаза. Поднимаясь постепенно по склону (уровни I, 2, 3, 4 — рис. 2, фиг. Б), определяют мощность всей свиты и ее частей (по высоте глаза наблюдателя). Этим же прибором можно определить высоту террас, морен и т. п.; в) барометрическим нивелированием. Этот способ дает ошибки до 2—5 м . Наклонные пласты. Их видимую мощность желательно измерять вкрест простирания; при других направлениях проложенной линии расчеты усложняются. Измерения можно производить: а) при помощи эклиметра или (менее точно) отвеса горного компаса. Наблюдатель, как и в случае горизонтального залегания, поднимается по склону, но визирует последовательно точки не по горизонтальной линии, а по падению пласта (рис. 3, фиг. А). Мощность измеренных пачек (ав=бг) определяется из прямоугольного треугольника, в котором известны угол (падение) и гипотенуза;

б) при помощи шеста, равного высоте роста человека, к верхнему концу которого прикреплена перпендикулярно визирная линейка с двумя диоптрами по концам; к месту соединения линейки и шеста прикреплен отвес, грузик которого ходит по квадранту с делениями на 90°. Способ определения тот же, как и в предыдущем случае. Этот способ удобнее для пластов, падающих вниз по склону. При разных наклонах поверхности и пласта, как это видно из рис. 3, мощность пласта равна видимой его мощности на поверхности, помноженной на синус угла падения, если поверхность горизонтальна и пласты наклонены; если пласт и поверхность падают в разные стороны (пласт падает в глубь горы) — видимой мощности, помноженной на синус суммы угла падения пласта и угла склона; если пласт и склон падают в одну сторону — видимой мощности, помноженной на синус разности углов падения пласта и склона. В таких случаях и более сложных для определения глубины залегания пласта и т. п. существуют таблицы и номограммы, облегчающие вычисления (см. Обручев, 1932, т. 1). Запись и зарисовка обнажений и разрезов. Наиболее ответственный этап в работе геолога, занимающегося съемкой,— точное описание каждого обнажения, составленное на основании детального его изучения и замеров. Надо внимательно изучить обнажения с хорошо видимой последовательностью пластов, с ясными соотношениями магматических и осадочных свит или с четкими структурными формами. Обнажение сначала рассматривают издали и, если оно велико, мысленно разделяют на части по структурным формам или другим признакам. В мощной толще осадочных пластов полезно выделить несколько мелких групп пластов. Затем изучают каждую часть обнажения, причем обрыв обычно удобнее рассматривать, начиная снизу, постепенно поднимаясь от его подножия вверх. Сначала надо отметить: а) положение обнажения как на карте, так и в рельефе, по отношению к склону или гребню горы, дну долины или берегу моря; б) размеры; в) свежесть и характер выхода — скала, обрыв, осыпь; задернованность, залесенность; г) наличие или возможность оползней, солифлюкции, тектонических смещений. Для каждой зарисовки обнажения следует указать масштаб (для всего рисунка или его частей) и ориентировку разреза по странам света; буквы и номера на рисунке должны точно соответствовать описанию. В осадочной или туфогенной свите выделяют пласты, обозначая их отдельными строчными буквами русского алфавита. Группы пластов можно обозначить заглавными буквами или римскими цифрами. Определяют элементы залегания и записывают в книжке в начале описания; если они изменчивы, то для каждого пласта обнажения или участка их вписывают отдельно на рисунке или в тексте. Осадочная свита описывается в порядке букв снизу вверх; мелкие прослои могут входить как подразделения одной буквы (обозначенные значками или вторыми буквами). Мощность измеряется указанными выше способами и обозначается на рисунке или в записи. Спокойно лежащую осадочную свиту зарисовывают в виде простого разреза (рис. 4). Позже эти данные потребуются для построения отдельной колонки (в дневнике или при камеральной обработке), а по сопоставлении с другими разрезами — для общей колонки свиты.

Тектонически сложное обнажение и сложные выходы магматических пород требуют более сложной записи, отражающей пространственное расположение всех элементов и их изменения. Необходимо зарисовать все обнажение целиком. Очень помогает соблюдению масштаба при составлении окончательного рисунка фотография, сделанная издали, но обычно фотоснимок не может четко передать необходимые структурные линии и взаимоотношение пород (о зарисовках см. гл. XIII).

Коллектирование производится с различными целями: для более детального изучения пород данного района и сравнения пород разных обнажений, для составления музейных коллекций и для различных тематических работ. При геологической съемке обязательно должна быть собрана систематическая коллекция, характеризующая основные разрезы и все изменения осадочных, метаморфических и магматических пород, Отбивание образца. Обычный образец — плоский, размерами около 6 х 9 см и толщиной от 1,5 до 3—4 см; для музейных коллекций выбивают образцы 9 х 12 см и более, смотря по характеру экспозиции. Сначала отбивают плоский кусок от глыбы или утеса тупым бойком молотка, держа молоток за конец рукоятки, затем уменьшают образец до нужного размера, держа его в левой руке и отбивая лишние куски острым концом молотка. Правой рукой держат молоток за середину рукоятки, на левую руку (особенно при обработке твердых пород) полезно надеть грубую кожаную или брезентовую рукавицу; таких рукавиц на лето надо 2—4 штуки. Выветрившиеся образцы непригодны для сравнений, изучения под микроскопом и анализов, поэтому обязательно требуется свежий образец, хотя и менее совершенный по форме; из осыпи образцы брать не следует. Для музеев следует заготовлять образцы плоские, прямоугольной формы с тонкими краями. Для этого плоский кусок нужного формата ставят на ребро и ударяют по противоположному ребру тупым бойком молотка от ребра отлетают осколки. Образцы, иллюстрирующие различные особенности пластов, контакты, следы действия каких-либо внешних или внутренних геологических агентов (выветривание, кливаж, складки, работа ледников), могут иметь любой размер в зависимости от объекта и наличного транспорта. Нумерация и этикетки. Обнажения нумеруются последовательно арабскими цифрами, для каждого образца прибавляют к номеру обнажения русскую букву. При большом количестве образцов и пластов в одном обнажении после исчерпания русского алфавита дальнейшие пласты или образцы обозначают двойными буквами. На этикетках пишут год работы, фамилию исследователя, дату, номер образца и подробно место взятия образца. На окончательных этикетках при камеральной обработке добавляют название породы и возраст свиты. Кроме этикетки, полезно на каждом камне написать химическим карандашом его номер либо наклеить кусочек липкого пластыря (лейкопласта) или изоляционной ленты с номером. Перевозка и упаковка. Образцы, собранные во время осмотра обнажения, вкладывают в номерные мешочки, отмечая в записной книжке (в записи или на рисунке), в каком мешочке лежит образец из данного слоя или точки; рыхлые породы сразу же на месте кладут в маленькие безномерные мешочки и затем уже в номерные. В течение дня образцы, уложенные в рюкзак, сумку или мешок, либо носят, либо возят в лодке, в телеге, на автомашине и т. п. Вечером, вынув образцы из номерных мешочков, раскладывают их, сравнивают, выбрасывают лишние, уменьшают слишком большие и пишут для каждого образца постоянную этикетку. Образцы завертывают каждый отдельно в бумагу. Полезно снаружи на пакете писать номер образца химическим карандашом или чернилами, чтобы легче было найти нужный образец в случае частичной разборки коллекции. Завернутые образцы укладывают в ящики рядами на ребро, очень плотно. Вес ящика с образцами не должен превышать 30 — 35 кг, его внутренние размеры для обычных горных пород — около 50 х 25 х 25 см. При перевозке вьюком завернутые образцы укладывают очень плотно в небольшие мешки, которые вкладывают в брезентовые сумы или баулы, туго стянутые веревками.

Разрезы буровых скважин

Разрезы буровых скважин используются для распознавания и корреляции залегающих в недрах отложений, а также для определения пористости возможных коллекторов и природы содержащихся в них флюидов. Поскольку геолога-нефтяника интересуют в основном отложения, залетающие на глубине, нам придется во всех последующих главах книги часто прибегать к рассмотрению разрезов скважин и других буровых данных; в связи с этим представляется необходимым вкратце описать некоторые виды исследований буровых скважин, способы и границы их применения. Исчерпывающее освещение этих вопросов не входит в задачу настоящей работы, но читатель отсылается к многочисленным работам и специальным исследованиям, часть которых упомянута в прилагаемом списке цитированной литературы.

К обычным методам исследований буровых скважин следует отнести:

1) буровые журналы

2) составление разрезов по поднимаемым при бурении образцам пород (литологические разрезы и палеонтологические разрезы);

3) электрический каротаж;

4) радиоактивный каротаж (гамма-каротаж и нейтронный каротаж);

5) механический каротаж;

6) анализ керна и бурового раствора (газовый каротаж);

7) кавернометрия;

8) термический каротаж;

9) акустический каротаж;

10) инклинометрия. Ниже приводится краткое описание этих методов и целей их использования.

Буровые журналы. Разрезы большинства скважин, пробуренных до1930 г., составлялись самими бурильщиками; по многим крупным районам геологи не имеют никаких иных данных бурения, кроме этих буровых журналов и вынуждены пользоваться лишь ими. Относительно надежные сведения содержатся в буровых журналах скважин, пробуренных канатным способом, поскольку бурильщик в этом случае совершенно уверен в установлении глубины залегания кровли той или иной толщи, характера проходимых пород и содержания в них нефти, газа или воды. Бурильщик легко определяет песчаные породы по износу долота, а глины и известняки ‑ по прерывистому прихвату бурового каната. Он знает, сколько воды в скважине и какое количество ее извлекается оттуда, и поэтому ему известно количество воды, содержащейся в любом проницаемом пласте. Фактически дебит воды, отбираемой из ствола скважины, является хорошим показателем и проницаемости проходимой породы. Бурильщик немедленно узнает также о появлении в скважине небольших количеств газа и нефти. Он описывает вскрываемые породы как твердые, мягкие или вязкие, красные, голубые, черные, серые или коричневые. Его измерения тщательно проверяются при каждом спуске в скважину колонны обсадных труб, а замеры глубины залегания кровли продуктивного пласта производятся обычно при помощи стального каната. Неизбежные ошибки в определении глубины забоя скважины исправляются в процессе последнего замера стальным канатом. Если ошибка велика и заставляет сомневаться в достоверности всего разреза, геолог обычно равномерно распределяет поправку в интервале от забоя скважины до ближайшей проверенной предыдущими контрольными замерами глубины.

Буровые журналы скважин вращательного бурения далеко не так надежны и полезны для работы геолога, как сведения, получаемые буровиками при канатном, или ударном, бурении; вообще при вращательном бурении буровые журналы ведутся редко. Об изменении цвета проходимых пород в этом случае обычно судят по шламу, поступающему из ствола скважины вместе с буровым раствором; можно определить также проходку скважиной твердых или мягких пород. Поскольку на ранних этапах вращательное бурение применялось большей частью в районах распространения мягких пород, многие сланцы и глины описывались тогда как «гумбо» или «вязкая глина». Любая твердая порода называлась «камнем»; чередование твердых и мягких пород ‑ «валунами»; песок, поднимавшийся по стволу скважины с забоя, ‑ «тяжелым песком»; быстро разрушавшийся и оседавший по стволу скважины песок ‑ «плывуном», а песок, при проходке которого шлам был чистым или разжижался буровой раствор, ‑ «водяным песком».

Составление разрезов скважин по образцам пород. Этот метод исследования буровых скважин, основанный на изучении шлама и керна, начал применяться геологами в 1920-1925 гг., и с тех пор постоянно совершенствуется. Керн и шлам изучаются в наше время практически по каждой разведочной и очень многим эксплуатационным скважинам. Этим методом может быть исследован либо весь разрез скважины, от устья до забоя, либо только наиболее важные его интервалы.

При канатном бурении образцы шлама отбираются во время каждого тартания скважины, т.е. примерно через 5-10 футов, высушиваются и помещаются в мешочки из холста. Обычно шлам поступает из скважины чистым и не требует никакой дополнительной обработки. Прямо на скважине или в лаборатории шлам изучается под бинокулярным микроскопом с увеличением от 12 до 24 раз, после чего по нему составляется разрез.

При вращательном бурении шлам отбирается из циркулирующего в стволе скважины бурового раствора, выносящего обломки породы с забоя на дневную поверхность. Шлам отбирается через каждые 5, 10 или 20 футов проходки, при этом в каждой пробе обычно представлены отложения, вскрытые в этих интервалах глубин. Шлам промывают в воде до удаления с обломков тонкого глинистого материала, осевшего на них из бурового раствора, высушивают и ссыпают в мешочки. Затем непосредственно на месте бурения или в лаборатории шлам наряду с керном подвергается исследованию под бинокулярным микроскопом, на основании которого составляется литологический разрез скважины. Все бурящиеся скважины обслуживаются специализирующимися в этой области геологами.

Литологические разрезы скважин канатного и вращательного бурения, составляемые по данным изучения шлама, представляют собой колонку с описанием физических свойств всех проходимых скважинами пород. Характеристика каждого образца включает определение: слагающего материала (известняк, доломит, песчаник, алевролит, глина, конгломерат, ангидрит, соль или кремень); его цвета; блеска (жирный, тусклый, яркий); содержания окаменелостей; пористости, и если она имеется, то ее характера (межзерновая, кавернозная, точечная, обусловленная первичной или вторичной кристаллизацией); признаков нефти, газа или твердых битумов; наличия трещин или поверхностей скольжения; связанности песчаного материала (рыхлый сыпучий песок или сцементированный песчаник) и характера его цемента; раскалывается ли порода на обломки, состоящие пз скоплений сцементированных между собой зерен, а также определение любых других физических свойств породы, способствующих ее распознаванию. При составлении литологического разреза скважин вращательного бурения по данным изучения шлама необходимо впитывать время, требующееся для выноса обломков шлама с забоя на дневную поверхность¹; для выноса обломков породы с забоя глубоких скважин на поверхность может потребоваться несколько часов.

Палеонтологические разрезы, как об этом свидетельствует само название, отражают прежде всего стратиграфическое расчленение разреза и содержание в породах органических остатков, главным образом микрофауны, например фораминифер и фузулинид.