lito_kuznecov

ЛАБОРАТОРНЫЕ - СИТОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ - МЕТОДЫ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Естественно, что для разных пород применяются различные методы гранулометрического анализа. Разделение на фракции грубообломочных пород — галечников, конгломератов, брекчий и т.д., если они достаточно рыхлые — производят с помощью разнообразных грохотов. При анализе гравийных и песчаных пород, а иногда и крупнозернистых алевритов, используется разделение на ситах; алевриты делятся обычно гидравлическими методами; специальные гидравлические методы используются при анализе глин. Все эти методы применимы только к осадкам и рыхлым породам или породам, которые тем или иным образом можно дезинтегрировать, т.е. разделить на отдельные слагающие породу обломки, причем без разрушения формы и размера самих обломков.

Дезинтеграция включает в себя не только разделение породы на составляющие ее обломочные частицы, но и удаление аутигенных компонентов, которые, естественно, не отражают особенностей первичной структуры осадка, обусловленной обстановками его накопления (рельефом и удаленностью областей питания, гидродинамикой области седиментации и т.д.). Выбор методов и реактивов для подобной работы определяется составом аутигенных компонентов.

Наиболее распространенные карбонатные цементы и вообще аутигенные карбонатные минералы удаляются обработкой 5—10%-ной соляной кислотой — без подогрева в случае наличия кальцита и с нагреванием на водяной или песчаной бане при наличии доломита или железистых карбонатов (типа сидерита, анкерита и т.д.). Гидроксиды железа, присутствующие в породах в виде цемента или железистых рубашек на поверхности зерен, растворяются при кипячении в 10 —20%- ной соляной кислоте. Для удаления кремнистых цементов используется кипячение в 5—10%-ном растворе щелочей (КОН или NaOH), сульфидов железа — кипячение в 10%-ном растворе азотной кислоты. Растворение гипса, а также дезинтеграция пород с глинистым цементом осуществляется кипячением в дистиллированной воде.

К сожалению, при химической обработке породы часто не удается сохранить легко растворимые аллотигенные компоненты — полностью или частично растворяются сложенный карбонатными минералами органогенный детрит, глауконит, фосфаты, апатит, обломки эффузивов и выветрелых зерен,

180

глинистые минералы. Поэтому перед выбором метода дезинтеграции порода внимательно изучается, в том числе и в шлифе под микроскопом, и с учетом наличия в ней тех или иных компонентов выбирается оптимальный «щадящий» метод обработки.

Для плотно сцементированных пород, где подобная дезинтеграция невозможна — для песчаников, алевролитов, иногда гравелитов, — используют специальные методики подсчета размеров зерен в шлифах под микроскопом, что подробно рассмотрено далее, а для более грубозернистых пород — замер размеров галек в поле («Методы изучения...», 1957, т. 1,

с.81 —83; «Справочное руководство...», 1958, Рухин, 1969 и др.). Выполнение гранулометрического анализа лабораторными

методами анализа требует определенного лабораторного оборудования, реактивов и в самом общем виде состоит из двух последовательных операций — дезинтегрирования сцементированной породы (для рыхлых пород отсутствует) и разделения нерастворимого обломочного материала на фракции. Последняя операция, как указывалось выше, осуществляется двумя способами — рассеиванием на ситах зерен более 0,1 мм, т.е. песчаной и гравийной (ситовой анализ), и гидравлическим методом для более мелких частиц.

полным.

Поэтому разделение пелитовых и алевритовых зерен осуществляют обычно гидравлическим методом (методом отмучивания). Его применение основано на разной скорости осаждения в спокойной воде частиц различной «гидравлической крупности», зависящей от их размера, плотности, морфологии и других свойств.

Скорость падения частиц в спокойной воде описывается формулой Стокса:

где V — скорость падения частиц в жидкости, см/с; д — уско-

181

рение свободного падения, равное 981 см/с; г — радиус шарообразной частицы, см; γι — плотность падающей частицы, г/см3; Υ2 — плотность жидкости, в которой идет разделение, г/см3; μ — вязкость жидкости, в пуазах (1 Π = 0,1 Па с в системе СИ).

Формула Стокса применима к частицам от десятых долей миллиметра до 0,005 мм, имеющим шаровидную форму, и для большого объема жидкости, где нет соударения частиц. Поскольку в реальной породе зерна не шаровидные, присутствуют различные минералы, имеющие неодинаковую плотность и разную морфологию частиц, и к тому же в зависимости от температуры меняется вязкость жидкости, строгий расчет скорости осаждения зерен по этой формуле затруднен.

Некоторые результаты расчетных и экспериментальных данных по материалам разных авторов приведены в табл. 4.2.

Учитывая, что для большинства породообразующих минералов их плотность и форма зерен сравнительно близки, основным фактором, определяющим скорость осаждения, является размер частиц. Однако чистоту и время разделения зерен различного размера необходимо периодически проверять, отбирая пробы и замеряя величину частиц под микроскопом.

В общем виде разделение проводится следующим образом. Суспензию, состоящую из частиц разного размера, прошедших сквозь сито 0,1 мм, помещают в высокий сосуд. Здесь довольно быстро осядут относительно крупные частицы и частично более мелкие, а во взвеси останутся только мелкие. Слив через определенное время с помощью специального сифона суспензию с оставшимися в ней мелкими частицами, мы получаем мелкие фракции, в то время как в осадке остаются крупные и в том или ином количестве мелкие частицы. Необходимый промежуток времени отстоя, равно как и чистота разделения проверяется в капле под микроскопом. Про-

Рис. 4.1. Пример записи и оформления результатов гранулометрического анализа

182

ведя несколько раз аналогичным образом разделение этого осадка, можно добиться достаточно надежного разделения фракций по их размеру. В стандартном варианте гидравлическим методом алевритовые фракции делятся на мелко- (0,01 — 0,025 мм), средне- (0,025 — 0,05 мм) и крупнозернистые (0,05 — 0,1 мм).

Важно отметить, что при сливе необходимо оставлять у дна примерно 3 — 5 см жидкости, т.е. сливается не вся суспензия; в сохранившемся у дна слое жидкости и непосредственно на дне остаются относительно крупные частицы.

Собственно глинистые (пелитовые) фракции при анализе песчано-алевритовых пород обычно не разделяются и не собираются, их содержание рассчитывается по разности. Гранулометрический анализ собственно глинистых пород основан примерно на тех же принципах, хотя его выполнение несколько иное. Вообще конкретная техника анализов имеется

вспециальных руководствах, модифицируется и адаптируется

вкаждой конкретной лаборатории.

Полученные тем или иным способом фракции собираются, высушиваются и взвешиваются. Полученные результаты, а также данные о содержании нерастворимого остатка заносятся в таблицу определенной стандартизированной формы (рис. 4.1). Результаты гранулометрического анализа представляются, как правило, в процентах (по массе) содержания каждой фракции, рассчитанных по отношению к массе нерастворимой части породы. Дело в том, что последняя представляет собой аллотигенную, или кластическую, часть породы и ее структура непосредственно обусловлена такими факторами, как расстояние от источников сноса, способ и дальность переноса, динамика среды осаждения и т.д., т.е. имеет важное генетическое значение. Растворимая же часть обломочных пород является аутигенной и отражает химизм вод бассейна седиментации, иловых и (или) пластовых вод (т.е. стадий диагенеза и катагенеза). Детальное исследование ее состава, необходимое для восстановления геохимических условий, является самостоятельной задачей и выходит за рамки гранулометрического анализа.

Вместе с тем, иногда полезно рассчитывать содержание фракций на всю породу. Это важно, во-первых, для пород с высоким содержанием растворимой части — для более точного их названия и, во-вторых, при оценке коллекторских свойств, так как растворимая, цементирующая часть резко снижает пористость и проницаемость пород.

184

Целесообразно на одном листе поместить таблицу аналитических данных и выполненные по ним определенные графические построения (последние рассмотрены далее), которые характеризуют этот образец и по которым рассчитывается ряд определенных параметров, а также дать на основе подученных результатов уточненное полное и развернутое название породы (см. рис. 4.1).

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В ШЛИФАХ

Гранулометрический анализ в шлифах производится путем непосредственного измерения поперечников зерен и последующего пересчета результатов замеров по определенной методике.

Уже по этому описанию видно, что при такой технике не учитывается цемент и изучается только обломочная часть с частицами и зернами размером не менее 0,02 — 0,01 мм. Количество цемента и тем более его состав не определяется. Для того чтобы избежать этого недостатка, работу надо разделить на два этапа — определение количества цемента и замеры размеров зерен, т.е. собственно гранулометрический анализ.

Определение содержания цемента

Самым простым, но и самым приблизительным и грубым является метод визуального сравнения с эталонами — трафаретами (рис. 4.2). Этот метод может быть использован как самая первая и весьма приближенная, сугубо качественная оценка. Значительно более точными являются методы замеров площадей, занятых обломками и цементом. Площадь, занятая цементом, выраженная в процентах к общей площади породы (шлифа), и будет представлять процентное содержание цемента. Такую работу можно производить с помощью специальной сетки, вмонтированной в окуляр (!Иванов, 1969).

Другой, более простой способ — проведение линейных замеров. Дело в том, что определяется не абсолютное содержание цементирующего материала, а именно его относительное содержание в породе. В этом случае отношение линейных размеров в участках цемента к общей длине всех замеров в породе, по которой проводились замеры, численно будет равно процентному содержанию цемента.

185

Ряс. 4.2. Трафареты для визуального определения содержания компонен тов в шлифах (по М.С. Швецову, 1958)

Для анализа необходимо использовать окуляр с линейкой (обычно № 6) и препаратоводитель, куда крепится шлиф. Последнее приспособление позволяет перемещать шлиф по прямым линиями и располагать эти линии параллельно друг другу на равных, заранее заданных расстояниях. Схема перемещения показана на рис. 4.3. Одним винтом препаратоводителя производится передвижение "шлифа по прямой линии. Когда линейка доходит до края шлифа, вторым винтом шлиф перемещается перпендикулярно к первому направлению, и начинается его перемещение первым винтом, но уже в обратном направлении.

Рис. 4.3. Схема перемещения шлифа препаратоводителем.

Стрелки показывают направление перемещения. Жирными линиями на линейке показаны интервалы (участки) замера содержания цемента. Цифрами (1 — 20) обозначены номера замеров (линеек)

187

Т а б л и ц а 4.3 Пример записи результатов замеров при определении содержания цемента

Опыт работы показывает, что замеры лучше проводить, используя всю линейку, а не ее часть, т.е. если при очередном перемещении линейки она хотя бы частично вышла за пределы шлифа, лучше в этом положении замеры не производить, а сразу перейти на следующую параллельную линию. Как будет видно дальше, это существенно облегчает расчет и позволяет избежать ошибок. Вопрос о том, насколько надо сдвигать шлиф, чтобы вести замеры по следующему параллельному направлению, решается опытным путем. Как правило, для определения процентного содержания цемента можно использовать шаг примерно в 2 мм, т.е. два маленьких деления на шкале препаратоводителя.

Поскольку определяется относительное количество це-

мента, необходимо подсчитывать число делений, приходящихся на цемент в пределах всей линейки; цена деления линейки значения не имеет. Результаты замеров записываются в виде простенькой таблицы (табл. 4.3).

Расчет проводится по простой формуле ^r- · 100, где 1 —

число делений, приходящихся на цемент; I — число делений в линейке.

Поскольку, как указывалось выше, замеры делались в пределах всей линейки, которая имеет 100 делений, а не ее частей, то расчет резко упрощается, так как достаточно разделить суммарное число делений на число линеек, т.е. перемещений. В приведенном примере это будет 133:5 = 26,6 %.

Гранулометрический анализ

Техника работы при определении размеров зерен аналогична технике определения содержания цемента, но тут важен абсолютный размер, а для этого необходимо

188

знать цену деления окулярной линейки. Кроме того, определяется не суммарное число делений в линейке, а размеры каждого отдельного зерна. Вместе с тем, поскольку гранулометрический анализ подразумевает определение не абсолютных размеров каждого зерна, а числа зерен разных размерных фракций, т.е. фракций, имеющих определенные границы, при замере отмечается не сам размер зерна, а то, в какую размерную фракцию данное зерно попадает (табл. 4.4, колонка 6). В этой колонке каждый случай, т.е. каждое зерно, попадающее в соответствующую размерную фракцию, можно отмечать точкой, штрихом, галочкой и т.д., однако, поскольку таких случаев достаточно много, эта колонка занимает много места, к тому же потом приходится долго пересчитывать эти значения поштучно. Проще (но не строго обязательно!) использовать следующий прием. Первые четыре определения отмечаются точками, располагающимися в вершинах квадрата. Пятый замер — это линия, соединяющая две точки. Поскольку у квадрата четыре стороны — четыре линии отмечают еще четыре замера, то есть квадрат означает уже 8 случаев, а если прибавить две диагонали — все 10. После этого надо начинать новый квадрат. При подсчете суммы легко сразу определить число десятков (по числу квадратов с обеим диагоналями) и число замеров по незаконченным квадратам. Эта система значков показана внизу в табл. 4.4.

Теоретические расчеты и специальные методические работы показывают, что вполне удовлетворительные результаты дает анализ, при котором замерено примерно 300 — 500 отдельных зерен.

При определении размеров возникает вопрос, какой именно размер, т.е. поперечник зерна, необходимо замерять — минимальный, максимальный или какой-то средний. Строго говоря, это должен быть минимальный поперечный размер, т.е. такой, который «пройдет через сито с соответствующим сечением сетки». Это подтверждается и специальными исследованиями, однако замер случайного сечения — по линии мерной линейки — дает вполне удовлетворительный результат, тем более что сами эти конкретные замеры затем пересчитываются и погрешности, в общем, нивелируются.

Необходимость специальных пересчетов определяется следующим обстоятельством. При изучении зерен в шлифах, практически никогда не измеряется их истинный размер. Как уже отмечалось в гл. 1 (раздел 1.3.3), плоскость шлифа пересекает зерна не по их максимальному сечению, а по какому-

189