Геологические основы

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

таком «скудном» статистическом материале трудно обнаружить различие между закономерными явлениями и теми, которые происходят под действием случайных или второстепенных причин. Строгие физические законы приводят к необычным последствиям в геологических явлениях главным образом из-за сложности одновременного действия различных по своей природе составляющих. Подобная ситуация характерна и для других естественных наук, ярким примером которой служит метеорология. Наша информация относительно внутренней структуры Земли черпается из измерений плотности на ее поверхности, вращения и движений, при помощи которых рассчитываются моменты инерции, периоды свободных колебаний Земли и, в основном, из измерения скоростей распространения сейсмических волн. Теперь нам известно, что плотное ядро радиусом около 3400км покрыто более легкой мантией толщиной примерно 2900км. Кроме этой границы, существует четко выраженная поверхность, разделяющая мантию и покрывающую ее толщу, называемую «кора», а поверхность – раздел Мохоровичича. Земная кора – это та основа, на которой и за счет которой мы живем, так как именно отсюда извлекаем все необходимые нам ресурсы: минералы, металлы, топливо и пищу. Средняя плотность материала Земли около 5,5г/см3. Толщина континентальной коры составляет в большинстве случаев 30-50км и обычно она больше (но не всегда) под высокими горными системами.

Имеющиеся в нашем распоряжении факты свидетельствуют, что многие геологические процессы невозможно было бы ни наблюдать, ни понять, если бы они не были столь длительными. С точки зрения обычных человеческих стандартов Земля по своим размерам и возрасту – объект необычный. Это вытекает из того, что подавляющая часть объема земного шара находится в условиях температур (несколько тысяч градусов) и давлений (до 3млн бар) превышающих тот уровень, который на данный момент, может быть, достигнут в наших экспериментах. Только немногие из экспериментальных сведений, полученных физиками и химиками, могут найти непосредственное применение в условиях земных недр. В связи с этим, геологи, геохимики и геофизики

7

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

вынуждены использовать в основном широкие обобщения и законы, чтобы установить только качественно природу тех явлений, которые могут происходить под нашими ногами. Достаточно неприятной и досадной особенностью Земли является ее «загрязненность» в смысле отсутствия строгой упорядоченности. Горные породы, как нам известно, совсем не чистые химические соединения с хорошо определяемыми свойствами, которые любят изучать как физики, так и химики. Напротив, они представляют собой структурно разнородные агрегаты с различными соотношениями минералов. Подобные породы редко имеют одни и те же физические свойства. Земная кора – это совсем не однородная и упругая толща, через которую распространяются сейсмические волны, как это выглядит в изящных, а потому и упрощенных, математических построениях. Реальные сейсмические записи показывают нам, что существуют непредвиденные сложности, обусловленные гетерогенностью и нарушениями однородности всякого рода. Сталкиваясь лицом к лицу с такой сложностью природных явлений, исследователь вынужден прибегать к ряду предположений, причем в качестве первого шага обычно приходится рассматривать крайне упрощенную идеализированную «модель», которая изучается теоретически и экспериментально. Не приходится говорить о том, что существует постоянное расхождение между теоретическими моделями или лабораторными экспериментами и теми естественными условиями, с которыми они сопоставляются.

1.2.Особенности строения и физические характеристики ГР.

Вэтом параграфе мы рассмотрим некоторые общие признаки, по которым можно объединить геологические особенности каждого разреза в группы как со стороны их генетической истории, так и по близким физико-механическим характеристикам. Ни у кого, по-видимому, не вызовет возражений, то обстоятельство, что само по себе такое сложное образование как геологический разрез, в дальнейшем ГР, к его сегодняшнему состоянию, включая и вещественный состав, прошло исторически длительный путь развития, поэтому

8

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

временной параметр является главным классификационным признаком любого ГР, т.е. можно сказать, что каждый ГР характеризуется в первую очередь возрастом, а многообразие их может быть объединено в три основные группы: древние, молодые и промежуточные. Конечно, каждый ГР включает в себя породы самых разных возрастов от древних до совершенно «юных», каковыми являются четвертичные отложения. Поэтому, для более точной классификации разреза необходимо включать и такой параметр, как мощность слоев горных пород каждого возраста, слагающих данный ГР. Таким образом, если в составе пород ГР большую часть его мощности занимают древние образования, скажем более чем 50%, то разрез в целом можно отнести к «древним».

Другой признак – это степень структурированности по пространственным координатам х,у,z. Этот признак определяет основное свойство ГР – слоистость. Хорошо известно, что любое геологическое образование состоит не только из минералов, но и из их объединений в отдельных слоях, спаянных между собой по их границам. В основном ГР представлен породами с горизонтальными или субгоризонтальными напластованиями. Характер напластований характеризует исторический аспект и механизм образования уникальных природных объектов.

Структурированность геологических пород отображает не только временной промежуток существования ГР, но и физико-химические и механические процессы, происходившие в течение этого временного интервала. Если ГР представлен субгоризонтально переслаивающимися породами, то это свидетельствует об осадочном механизме его образования. При наличии в разрезе сети разломов, магистральных трещин можно говорить о неоднородном распределении механических напряжений. В этом случае в теле горных пород возникают сложные напряженные состояния, включающие развитие сжимающих и растягивающих и, следовательно, касательных (сдвиговых) напряжений, продуцирующих образование разломов и протяженных трещин. Здесь мы не обсуждаем причины возникновения сложных напряженных состояний. Это может быть обусловлено тектоническими причинами, внедрением инородных тел, тоже геологического происхождения и другими.

9

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Следующий признак ГР – тектонический. Этот признак чисто эволюционный, устанавливающий механизм образования и свойства конкретного геологического разреза.

Пожалуй, эти три признака определяют все многообразие и свойства геологических разрезов. Возможно, да, скорее всего так и есть, что эти признаки не полны, отображают не все возможные варианты взаимоотношений космогонических сил и материала планеты Земля. Но это и не наша задача. Мы хотим изучать физические свойства уникального природного образования, каковым является ГР, и на основе анализа этих свойств выяснить рамки действия общих физических законов и построить приближенную, но достаточно достоверную модель среды, т.е. решить обратную задачу.

1.3. Слоистость.

Основной физической характеристикой любого ГР является его неоднородность, т.е. наличие в сплошном теле геологического разреза ярко выраженных границ раздела. За долгую временную историю своего формирования под действием физико-химических и механических процессов, равно как и биолого-климатических, происходило постепенное накопление геологического материала и его трансформация в сплошную геологическую породу. При этом одно и тоже вещество могло накапливаться в разных местах с неодинаковой скоростью, покрываться другими, видоизменяться и давать такое многообразие структурного строения, которое мы теперь наблюдаем. Каждая порода, составляющая геологический разрез, обладает вполне определенным минералогическим составом, который характеризуется набором физических параметров. К таким физическим величинам мы относим следующие: скорости распространения упругих волн, плотность вещества, упругие модули, пористость, электропроводность, магнитная восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, водонасыщенность, акустический импеданс. На основе предшествующих фактов наблюдений и умозаключений можно смело говорить о том, что геологический разрез скорее понятие, чем простое существительное,

10

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

например шар, поэтому дать краткое его определение достаточно трудно. Попытаемся все же сказать несколько слов об этом. Итак, геологический разрез это неустойчивый природный объект, возникающий всегда, как следствие непрерывного совместного действия фундаментальных физико-химических процессов в первородном материальном теле Земли. Исходя из такого определения, мы обязаны признать, что геологический разрез формируется в любом космическом теле независимо от его физического состояния. Главным характеристическим параметром этого объекта является его время жизни.

Важное значение для понимания физики распространения волн сквозь такие неоднородные среды имеют параметры качества границ раздела: горизонтальные

–наклонные, зеркальные – шероховатые, непрерывные – разрывные, однородные

–рассеивающие. В эту же категорию относят и мощности слоев, т.е. количество вещества, как правило, одного типа, занимающего промежуток между границами. Здесь встречаются самые разные сочетания, особенно в верхней части вблизи поверхности земли, где слоев, как правило, много и все они малой мощности. Далее в глубину мощность слоев постепенно возрастает, количество границ сокращается, а их свойства приближаются к идеальным. При этом выделяются «яркие» устойчивые или реперные границы, которые при любом раскладе дают отчетливые отраженные волны, прослеживающиеся на больших расстояниях от ПВ. Таким образом, по этому параметру геологические разрезы подразделяются на мелкослоистые, средне и крупнослоистые. Как правило, все мелкослоистые разрезы относятся к молодым геологическим образованиям, а крупнослоистые – к древним.

Слоистость присуща как осадочным, так и магматическим породам. Отмечаются ритмы закономерного чередования горных пород разного состава. Мощность ритмов от 5 до 50м. Слоистость осадочных пород является одним из основных факторов их формирования. Выделяют собственно слоистость – чередование слоев горной породы и внутреннюю текстуру – слойчатость. Исходя из данных о толщине слоев, слоистость разделяется на равномерную (отношение максимальной мощности слоев к минимальной не более 2-3), не равномерную

11

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

(это отношение от 3 до 5) и резко не равномерную с отношением hmax./hmin.>5. Абсолютное значение мощности слоев имеет первостепенное для сейсморазведки, в том числе и МВС, значение, т.к. определяет характер взаимодействия среды с упругими волнами: рассеивание и проникновение без последствий, затухание и проникновение с падением амплитуд, отражение-преломление, дифракция. По расположению границ в пространстве выделяют среды с: горизонтальной слоистостью (слои параллельны друг другу и «дневной» поверхности), наклонную (слои расположены под углом к горизонтальной плоскости), но параллельно друг другу, косую слоистость (пачки слоев чередуются и располагаются под различными углами к плоскости напластования). Отметим существование ритмической и градационной слоистости. В этом случае наблюдается чередование осадков, где крупность зерен постепенно уменьшается от размеров песка и гравия до алевролита и пелита. Границы между ритмами резкие.

Границы – это поверхности раздела между слоями ГР, содержащие литологически неодинаковые геологические породы (материал). Наиболее распространенное представление о физических свойствах этих границ – гладкие и непрерывные, на которых происходит ступенчатое изменение основных характеристик, таких как: плотностей, упругих модулей, а , следовательно, и скоростей распространения сейсмических волн, пористости, трещиноватости и других. Соотношение между упругими импедансами двух горных пород, разделенных границей, определяет ее отражательную способность. Различают сильные, средние и слабые границы. К типу сильных относят границы, на которых перепад импедансов более 20-25%. Для средних этот перепад от 10 до 20%, а, если меньше 10%, то они являются слабыми.

1.4. Трещиноватость

Деление массивов горных пород на отдельные элементы внутренними поверхностями различной ориентации называют трещиноватостью. Это свойство присуще практически всем горным породам и обусловлено различными

12

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

причинами: космическими, тектоническими, гравитационными и климатическими.

Для трещиноватости планетарного происхождения характерны элементы самого разнообразного масштаба от глубинных разломов земной коры до небольших трещин секущих один пласт. Раскрытость трещин (расстояние по нормали между берегами) в этом случае максимальна.

Тектоническая трещиноватость обусловлена местными подвижками массивов породы, которые образовали большинство трещин, объединенных в системы геометрически правильных сеток, и связаны с характером деформаций, происходивших внутри развивающихся структур. Они располагаются в виде полигональных сеток, не выдержаны по направлению, заполнены материалом вмещающей породы.

Трещиноватость характеризуют степенью раскрытости или расстоянием между берегами. Раскрытость трещин на глубине измеряется десятками микрон и редко достигает больших величин.

Наибольшая трещиноватость приурочена к органогенным доломитам, известнякам, мергелям, песчаникам. Основное направление трещин - по нормали к напластованию. Отмечена связь раскрытости трещин с литологией пород и составом заполнителя. Уменьшение раскрытости с глубиной четко фиксируется лишь в породах ВЧР.

Большое значение для сейсморазведки имеет густота (плотность их в единице объема). Она уменьшается с ростом мощности пластов. Установлено, что характер трещиноватости определяется теми напряжениями, которые развиваются в породе. Наиболее трещиноватыми являются присводовые части поднятий или участки перехода от свода к крыльям, что особенно характерно для соляно – купольной тектоники.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

будут меньше. Это бы так и было, если бы E и G оставались бы постоянными. Но эти параметры в свою очередь увеличиваются, при этом гораздо быстрее, чем ρ. Отсюда и закономерность возрастания скорости по разрезу сохраняется, наряду с увеличением плотности. Эту связь можно представить графически в виде функций Cp,ss(ρ), которые имеют следующий вид Рис. 1.

1.6. Пористость

Свойство горных пород образовывать пустоты (поры). Пористость определяет такие характеристики вещества, как: плотность, прочность, сжимаемость, скорость распространения упругих волн и др. Различают три вида пористости: общую (физическую), открытую и эффективную.

Общая пористость включает объем сообщающихся и изолированных пор различных радиусов, формы и степени связи между ними.

Открытая пористость представляет собой объем сообщающихся между собой пор, которые заполняются флюидами, Этот вид пористости всегда меньше общей пористости на объем изолированных пор.

Эффективная пористость – это та часть порового пространства, которая занята подвижным флюидом при полном насыщении порового объема этим флюидом. Она меньше открытой пористости и тем более общей на объем связанных в поровом пространстве флюидов. (Одна из главных характеристик нефтяного коллектора). Величина пористости связана с вещественным составом горных пород и изменяется в довольно широких пределах от долей процента до 80% и уменьшается с глубиной. Установлена линейная зависимость пористости от глубины залегания пород песчано-алевролитового типов. Теоретически показано, что величина пористости определяется размерами, формой и типом упаковки зерен. Пористость - это безразмерная величина, ее обычно выражают в процентах или долях единицы по следующей формуле: n = Vp/V, где: Vp и V – объемы порового пространства породы и ее образца соответственно. Различают пористость общую, открытую и эффективную. Общая пористость выражается в процентах к массе единицы объема: n = 100(1-ρ/ρскл), где ρ - плотность породы,

14

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

ρскл – плотность минеральных зерен. Для характеристики пористости пород иногда используется коэффициент пористости. Коэффициент пористости kn -

отношение объема пор к объему минерального скелета пород: kn = (n/1-n) 100, где n – общая пористость. Эффективная пористость – один из основных параметров коллекторских свойств пород.

Известно, что сдвиговая деформация твердого тела, и горной породы в том числе, физически представляет собой только изменение формы тела без воздействия на его объем, то есть действует на внешних поверхностях. Следовательно, не производит ни уменьшения, ни увеличения тех напряжений, которые действуют во флюидах, заполняющих поровое пространство. Вследствие этого, энергия изменения формы горной породы может передаваться от зерна к зерну только по элементам их связи, то бишь по скелету. Объем как порового пространства в целом, так скелета горной породы остается постоянным. Отсюда следует вывод о том, что скорость распространения поперечных волн не связана с величиной пористости горной породы, а определяется только связями между отдельными гранулами, составляющими горную породу в целом.

1.7. Скорости распространения упругих волн.

Наиболее универсальным сейсмическим параметром геологического разреза и одновременно самым важным являются скорости распространения упругих волн. Они характеризуют в той или иной степени состояние вещества на глубине, литологический состав, характер седиментации и степень флюидонасыщения. При определенных условиях даже возраст породы. По известным соотношениям теории упругости по измеренным значениям скоростей упругих волн и плотностям пород вычисляют упругие модули и коэффициент Пуассона. Наиболее полно указанные параметры изучены для осадочных бассейнов. Наибольшее количество данных для пород всех типов получено по скоростям распространения продольных волн. Скорости упругих волн в минералах и горных породах различного состава изменяются в широких пределах. Так, если значения Ср в рыхлых осадках, залегающих вблизи поверхности земли, составляет лишь

15

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

0,2-0,3 км/с, то в алмазе оно равно 18 км/с. В еще больших пределах варьируют скорости поперечных волн Сs, которые для алмаза равны 9 км/с, а для осадков насыщенных водой снижаются до нескольких метров в секунду. Наименьшие значения Ср и Сs характерны для терригенных осадочных отложений. Обращает на себя внимание существенное различие диапазонов изменения Cp и Сs для известняков, песчаников, алевролитов и глинистых образований, т.е. осадочного комплекса. Измерения скоростей показывают, что для терригенного разреза в целом характерно плавное увеличение скоростей Cp и Cs с глубиной, что связано с постепенным уплотнением осадков за счет давления вышележащих пород. Вместе с этой общей закономерностью можно говорить и о том, что скорости поперечных волн растут быстрее продольных, что означает для терригенных пород вертикальные градиенты Cs больше, чем для Cp, то есть, Cs >Cp. Отсюда же следует важный вывод: относительные перепады скоростей на границах раздела по Cs больше чем по Cp. Средние различия по экспериментальным данным составляют 12%. Подобная закономерность свойственна и для пород терригенно-карбонатного разреза, где перепады скоростей на границах могут быть очень большими. Скорости Cp и Cs являются в принципе независимыми величинами, хотя связь между ними выявляется в виде коэффициента Пуассона, величина которого для данного типа породы изменяется в небольших пределах. Так, например, для гранитов не более 10%, сиенитов – 5%, а известняков – 10%.

Изменение вещественного состава горных пород, соотношения между фазами скелет-флюид, вариации пористости и трещиноватости, а также непрерывное возрастание давления с глубиной непосредственно сказывается на характере изменения скоростных характеристик. Поскольку, согласно теории упругости C2 p = K + (4 / 3)G / ρ, Cs2 = G / ρ скорости продольных и поперечных волн функционально связаны только плотностью пород ρ, то можно считать, что они независимы друг от друга. Этот вывод следует из многочисленных экспериментальных наблюдений и главным образом полевых. Изучение распределения скоростей Ср и Сs по геологическим разрезам разных типов

16