1.6. Пористость и проницаемость
Под пористостью понимается часть объема породы, не занятая минеральной или органической (за исключением углеводородов) частями.
Изучение пористости и проницаемости пород имеет большое практическое значение. Пористые породы могут служить коллекторами нефти и газа. Пористость и проницаемость пород необходимо учитывать при разведке подземных вод и при определении устойчивости грунта под сооружения. Пористость измеряется в процентах. Для количественного определения пористости используют специальные установки, а для изучения особенностей строения порового пространства используют шлифы, приготовленные из пород, которые насыщены под давлением бакелитом.
Поры могут быть первичными и вторичными. Первичные поры зависят от формы и взаимного расположения составных частей породы (рис. 1.50 а). В процессе преобразования, когда порода уплотняется и перекристаллизовывается первичные поры уменьшаются, вплоть до исчезновения.
Рис. 1.50. Виды пор: а – первичные-межгранулярные; б – вторичные каверновые (выщелачивание); в – вторичные трещиноватые (катаклаз)
Вторичные поры обязаны проявлению процессов выноса компонентов породы на стадиях ката- и метагенеза, а также гипергенного преобразования пород, катакластического метаморфизма и наложенного эпигенеза (рис. 1.50 б, в).
При описании порового пространства необходимо обращать внимание на следующие признаки: наличие пор и их объем; особенности распределения пор в породе (равномерное и неравномерное); виды пор (первичные – межгранулярные, вторичные - каверновые и трещинные); форма пор (изометричная, овальная, каверновая, разнообразная); размер пор и трещин.
Часть 2. Стадии, типы и фации седиментогенеза Условия становления осадка
Формирование осадка происходит в так называемой зоне осадкообразования – приповерхностном пространстве, в котором взаимодействуют: литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера. Это зона, в которой протекают процессы гипергенеза, вулканизма, космического воздействия и активного влияния живого и отмершего органического вещества. В этой зоне формируются компоненты осадка, которым предстоит путь транспортировки до места становления при сложном взаимодействии с множеством процессов, прежде чем они смогут быть отложенными и подвергнутыми накоплению и последующему преобразованию. Условно выделяется три стадии формирования осадка:
мобилизация вещества;
транспортировка и дифференциация;
отложение и накопление.
2.1. Мобилизация вещества
Мобилизация вещества осуществляется на поверхности континентов.
Эту границу земной коры и атмосферы иногда называют дневной поверхностью. Она характеризуется небольшими величинами давления и температуры – в сотни и тысячи раз меньшие тех, при которых возникают магматогенных или метаморфогенные минералы. Давление и особенно температура на поверхности суши испытывают значительные колебания в течении суток и года.
Мощным фактором воздействия на поверхность литосферы является жидкая вода, содержащая в тех или иных количествах растворённые химически активные соединения. На горные породы здесь также действует целая серия сложных процессов, связанных с развитием живых организмов и почвообразованием. Всё это обуславливает неустойчивость минералов, возникших в иных условиях, и приводит к возникновению новых минералов.
Сумма физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов на поверхности суши под влиянием факторов и условий географической среды называется выветриванием.
Внешняя часть литосферы, сложенная продуктами гипергенеза, называется корой выветривания. За нижнюю границу коры принимается уровень грунтовых вод в данной местности. Выше уровня грунтовых вод имеются благоприятные условия для развития процессов преобразования – горные породы здесь периодически смачиваются атмосферными осадками, а в порах и пустотах пород, а также в отдельных слоях и трещиноватых зонах циркулирует воздух.
Мощность коры выветривания колеблется обычно от единиц до нескольких десятком метров, а в тропиках – иногда и до 100-200 м.
Формирование кор выветривания происходило и в отдаленные геологические эпохи. Местами они сохранились до настоящего времени и в отличие от современной, называется ископаемой корой выветривания.
Не следует думать, что выветривание связано с деятельностью ветра. Ветровая деятельность имеет весьма отдалённое отношение к процессам выветривания. Чтобы избежать этой неясности смыслового и буквального значения термина «выветривание», А.Е.Ферсман в 1922 г. предложил процессы преобразования горных пород и минералов на поверхности обозначать термином «гипергенез» (от греч. hyper – сверху, над).
Процесс гипергенеза очень сложен и включает многочисленные частные процессы и явления – механические, физико-химические, химические, биохимические. Чисто физические (механические) явления приводят к дезинтеграции горных пород: к механическому их измельчению без изменения минерального и, следовательно, химического состава. Механическая дезинтеграция пород происходит в результате неодинакового объёма и линейного расширения породообразующих минералов под влиянием сезонного и суточного колебания температуры. Порода рассекается густой сетью тонких и тончайших трещин. В эти трещины поступает вода, вследствие чего в них возникает капиллярное давление.
Механическая дезинтеграция плотных горных пород приводит к образованию обширных развалов, глыб и россыпей щебня (курумов), коллювиальных скоплений (от лат. colluvio – скопление) щебня у подножия обрывов, протяженных каменных потоков по склонам. Последнее типично для полярных, пустынных и высокогорных ландшафтов.
Дезинтеграция плотных горных пород, образование в них системы трещин и микрощелей обуславливает, с одной стороны, их хорошую водопроницаемость, а с другой – резко увеличивает реакционную поверхность преобразуемых пород. Это создает условия для активизации разнообразных физико-химических, химических и биогеохимических реакций. Осуществление этих реакций возможно только при наличии свободной жидкой воды.
В зависимости от состава растворённых соединений почвенные и грунтовые воды оказывают разнообразное воздействие на минералы горных пород. При этом в результате химических реакций обмена возникают новые минералы.
Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллохимической структуры минерала. В результате образуются гидратированные разновидности.
Весьма важное значение имеют реакции гидролиза, т.е. полного разрушения кристаллохимической структуры минерала под воздействием молекул воды. При этом также образуются новые минералы.
Особенно важное значение имеет непосредственное воздействие животных и растительных организмов, а также продуктов их жизнедеятельности, на минералы. Состав и растворяющие свойства почвенно-грунтовых вод в значительной мере обусловлены такими продуктами. Ещё более зависит от жизнедеятельности в окружающей среде состав газов и их количественное соотношение. Под влиянием кислорода, сероводорода, углекислого газа и др. происходят окислительно-восстановительные реакции и возникают крупные скопления оксидов железа и марганца, сульфидов железа и других минералов.
Все перечисленные процессы действуют на исходные породы вместе и одновременно, так что действие одного из них невозможно отделить от действия остальных, можно лишь говорить о химических, физических и других частных процессах, происходящих при в гипергенезе, и о преобладании одних из них в конкретных условиях тех или иных участков земной поверхности.
В гипергенезе происходит не только разрушение первичных минералов, но и возникновение еще более многочисленных новых. Большая часть глинистых минералов, многочисленные сульфаты, карбонаты, минералы оксидов железа, алюминия, марганца, титана и многие другие имеют гипергенное происхождение. Следовательно, гипергенез нельзя рассматривать только как процесс разрушения горных пород. Это одновременно и созидательный процесс, в результате которого формируются особые образования – коры выветривания.. Коры выветривания, их типы и строение
Продукты гипергенеза создаются за счёт преобразования тех или иных горных пород. Поэтому их состав имеет особо важное значение для формирования кор выветривания.
Состав атмосферной коры выветривания постепенно изменятся снизу вверх от свежей исходной породы до продуктов наиболее глубокого гипергенного преобразования в соответствии с этапами элювиогенеза. Выделяются следующие этапы элювиогенеза (по Е.В.Шанцеру, 1966):
Собственно выветривание в его обычном понимании, т.е. разрушение и «разложение» исходного вещества материнских пород с образованием продуктов выветривания.
Частичный вынос и перераспределение подвижных продуктов выветривания в формирующейся элювиальной толще с образованием зон выщелачивания и зон инфильтрации, или вымывания, сопровождаемым частичной цементацией последних, возникновением различных стяжений, конкреций, кристаллических новообразований и т.п.
Взаимодействие продуктов выветривания друг с другом в ходе их миграции, сопровождающееся синтезом новых минералов.
Метасоматическое замещение первичных материалов материнских пород и вторичных элювиальных образований продуктами выветривания.
В разных климатических зонах земной поверхности интенсивность флювиогенеза неодинакова. Она зависит от количества осадков, температуры, интенсивности испарения. Наглядно зависимость интенсивности развития коры выветривания от климата изобразил Н.М.Страхов (1960).
Рис. 2.1.1. Схема образования кор выветривания в разных климатических зонах
1 – свежая порода; 2 – зона дресвы, химически мало измененной; 3 – гидрослюдистомонтмориллонитово-бейделлитовая зона; 4 – каолинитовая зона; 5 – охры, Al2O3; панцирь, Fe2O3+Al2O3
Выделяются следующие зоны кор выветривания (по В.В.Ершову):
Монолитная (скрытотрещиноватая) зона, отвечающая такому состоянию материнской породы, когда она еще не имеет видимых глазом признаков дробления, но уже претерпела расшатывание связей между составляющими ее минералами.
Глыбовая зона, характеризующаяся наличием трещин выветривания, способствующих расчленению породы на отдельные глыбы; химико-минеральный состав отвечает составу материнской породы.
Зернистая или мелкообломочная зона, состоящая из мелких обломков или отдельных минеральных зерен.
Зона тонкого дробления или глинистая зона, в основном сложенная вторичными минералами с примесью тонкораздробленных первичных минералов.
Климат существенно влияет на количество формируемых зон, на интенсивность преобразования пород и особенности развития профилей кор выветривания, что четко представлено на рис. 2.1.2.
Рис. 2.1.2. Профиля кор выветривания и их зональности в различных климатических условиях (по В.В.Ершову и др.)
При выветривании горных пород различного состава зоны профиля характеризуются своими особенностями минерального состава и строени.
При выветривании молодых геологических образований (вулканических лав, ледниковых морен, лессовидных отложений и др.) даже при благоприятных географических условиях, зоны, образующие профиль, плохо выражены по причине недостаточного для их формирования времени. В этом случае образуется неоднородная выветренная масса, содержащая небольшие участки слабо измененных и почти неизмененных пород.
Среди кор выветривания различают площадные и линейные. Первые распространены на больших площадях (с чем связано их название) и представляют собой остатки древних кор. Вторые являются особой формой кор. Они приурочены к зонам разломов или контактам толщ разного состава. Линейные коры имеют мощность, значительно большую, чем площадные.
Это связано, в частности, с тем, что горные породы в этих более проницаемых зонах предварительно подвергались обработке гидротермальными растворами, а затем уже действию факторов гипергенеза.
Геологические тела, сложенные элювием, то есть продуктами глубокого гипергенеза – физического, химического, биохимического преобразования горных пород, выявлены не только на поверхности континентов. Они обнаружены в зонах тектоногенной инфильтрации, водоносных горизонтах, гидротермокарстах, в придонных осадках и подводных корах выветривания (рис. 2.1.3.).
Рис. 2.1.3. Схема размещения продуктов гипергенеза в литосфере
1 – коры выветривания (элювий); 2 – инфильтрационные коры (иллювий); 3 – осадочные шлейфы; 4 – подводная кора выветривания (продукты гальмиролиза); 5 – подводные шлейфы; 6 – водоносные горизонты; 7 – зоны подземного гидролиза; 8 – гидротермокарст; 9 – придонные осадки, включающие «рудные илы»; 10 - существенно осадочные и метаморфические образования
В связи с формирующимся разнообразием продуктов гипергенеза Б.М.Михайлов предложил их типизацию:
Поверхностный (континентальный) гипергенез как комплекс процессов и явлений, происходящих непосредственно на поверхности суши и распространяющихся вглубь с гравитационными водами.
Подводный гипергенез как комплекс процессов и явлений, происходящих на дне океанов и морей при взаимодействии морской воды непосредственно с коренным субстратом (гальмиролиз).
Подземный гипергенез как комплекс процессов и явлений, происходящих в зоне гипергенеза под воздействием вод, либо движущихся по водоносным горизонтам, либо восходящих по разломам зонам трещиноватости (артезианские и элизионные воды).
Кора выветривания представляет интерес не только для геолога-поисковика, геоморфолога, климатолога, но и для специалистов ещё ряда геологических, а также биологических, географических и других профилей. Изучая её, можно установить особенности климата данной местности в период её формирования.
Практический интерес к корам выветривания связан с формированием целого ряда месторождений:
каолин – сырье для фарфорофаянсовой промышленности;
огнеупорные глины для строительства;
латериты – строительный материал месторождения глиноземного сырья;
россыпи алмазов и других драгоценных минералов, Au, Pt, оловянного камня, ильменита, рутила, циркона, монацита;
железоникелевые руды;
свинцовые руды (хребет Каратау);
уран-ванадиевые руды (карнотиты США).
Из дезинтегрированных пород и россыпей полезные ископаемые извлекаются значительно легче, чем из материнских невыветренных магматических пород, содержащих их в рассеянном виде.