Основные методы исследований осадочных горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

Курсовая работа

Основные методы исследования осадочных пород

Выполнил студент гр. ГНГ-11-2:

Фрейман М.В.

Проверил: Иванов А.Г.

Пермь 2013

Содержание

Введение

Глава 1. Изучение осадочных пород в полевых условиях

Глава 2. Общая схема лабораторных исследований осадочных горных пород

Глава 3. Изучение осадочных пород в шлифах под микроскопом

Глава 4. Особенности петрографического изучения песчано-алевритовых отложений

Введение

Литология имеет дело с материальными объектами -- осадочными горными породами, и их детальное исследование -- основная цель базового раздела литологии -- петрографии осадочных пород. Изучение пород началось с их описания по внешним признакам с последовательным увеличением числа изучаемых показателей, детальности и подробности описания. Принципиальным качественным изменением подхода к изучению пород стало использование поляризационного микроскопа, причем впервые он был применен Г. Сорби в 1851 г. при исследовании именно осадочных пород -- окремнелых известняков. Основные методические приемы кристаллооптических исследований шлифов были разработаны на примере магматических и метаморфических пород и после этого, позднее «вернулись» в литологию, которая как самостоятельная научная дисциплина сформировалась позже общей петрографии.Задачей исследования горной породы является получение наиболее полной ее характеристики с целью правильного названия породы, выяснения и описания ее свойств, на основе чего появляется возможность восстановления условий ее образования.

Поскольку горная порода характеризуется тремя основными показателями -- составом, структурой и текстурой, то ее полное исследование включает изучение и описание этих трех показателей. При этом некоторые методы позволяют одновременно изучать два-три показателя, т.е. являются универсальными, другие же более специфичны, так как устанавливают и описывают лишь один из них.

Исследование осадочной породы начинается в полевых условиях -- на обнажениях, горных выработках, в керне скважин -- и продолжается и углубляется в лабораториях с применением тех или иных анализов. Таким образом, с определенной степенью условности все методы исследования можно разделить на полевые и лабораторные.

Глава 1. Изучение осадочных пород в полевых условиях

Описание породы в полевых условиях обычно начинается с определения ее названия, затем последовательно характеризуются цвет и оттенки (желательно в сухом и влажном виде), плотность и крепость, излом, вещественный(минеральный) состав, структура (форма, размер и однородность размеров слагающих ее фрагментов -- кристаллов, скелетных остатков организмов и т.д.), текстура (характер взаимоотношения этих фрагментов), включения и видимые вторичные изменения. В полевых условиях обязательно указывается форма залегания -- пластовая, линзовидная и т.д., мощности пластов и их однородность, взаимоотношения с другими пластами и т.д. В керне скважин не все эти показатели удается установить.

Строго говоря, такие показатели, как характер залегания и мощности, не являются характеристиками собственно породы, а отражают более высокий уровень организации вещества -- геологические тела, но они крайне важны для дальнейших выводов об условиях образования отложений, для оценки некоторых важных свойств. К примеру, одно дело, когда имеется мощный однородный пласт песчаников, другое, если песчаники образуют серию маломощных прослоев. Первый случай с точки зрения нефтяной геологии неизмеримо более благоприятен, так как этот пласт может быть хорошим резервуаром нефти и газа.

Полевое изучение в основном основывается на визуальном осмотре и описании внешних признаков породы с весьма ограниченным привлечением технических средств, причем очень примитивных. К ним относится использование лупы, воды для определения смачиваемости, кислоты для оценки степени карбонатности, ножа и молотка для определения твердости и прочности и т.д.

Особое внимание в полевых условиях должно уделяться изучению и описанию текстур и включений, ибо эти наиболее «крупноразмерные» свойства часто можно установить именно в обнажении, в то время как в относительно небольшие образцы они просто не попадают или в них не проявляются.

осадочная горная порода исследование

Глава 2. Общая схема лабораторных исследований осадочных горных пород

Исследование пород в камеральный период в лабораториях начинается также с макроскопического описания образца породы и во многом следует схеме полевого изучения, после чего порода поступает на те или иные анализы

или серию анализов. Это предварительное изучение позволяет выработать программу дальнейших исследований, выбрать рациональный набор анализов.

Все лабораторные методы исследования с определенной степенью условности можно подразделить на универсальные, которые позволяют определять или описывать два или три основных показателя, характеризующих породу, т.е. состав, структуру и текстуру, и специальные, которые изучают лишь один из них. Примерная схема возможностей тех или иных методов и областей их применения показана в таблице.

Исследуемый Показатель	Метод исследования	Породы, для которых применим данный метод
Минеральный состав	Оптическая микроскопия	Практически все типы пород с существенными ограничениями для глинистых пород
	Исследование зерен легкой и тяжелой фракции	Обломочные породы, реже нерастворимый остаток карбонатных и солевых пород
	Растровая электронная микроскопия (косвенное определение минералов по морфологии кристаллов)	Глинистые, кремнистые, частично карбонатные
	Химический -- валовый и рациональный	Практически все типы пород с последующим пересчетом на минералы с проверкой независимыми методами
	Термический	Глинистые, карбонатные
	Рентгеноструктурный
	Окрашивания
	Спектральный	Все типы пород для определения малых и редких элементов. Количество породообразующих элементов с содержанием > 1 % не определяется
Структура	Оптическая микроскопия	Практически все типы пород с ограничением для очень тонкодисперсных (глины, пелитоморфные карбонаты)
	Гранулометрический, ситовой и гидравлический	Обломочные
	Пипеточный и седиментационных трубок	Глинистые
	Электронная микроскопия, в том числе растровая	Карбонатные, кремнистые, глинистые, частично мелкообломочные
Текстура	Макроскопическое изучение	Все типы пород
	Оптическая микроскопия	Некоторые виды мелкоразмерных текстур (микрослоистость, микростилолиты и т.д.) для всех типов пород
	Растровая электронная микроскопия

Гранулометрический анализ.

Гранулометрический, или механический, анализ применяется для изучения обломочных горных пород -- псефитов, псаммитов, алевритов, глин, а также терригенной части хемогенных и органогенных пород. Он заключается в разделении обломочной части породы или ее нерастворимого осадка на отдельные фракции по размеру зерен и определении количественного содержания этих фракций в породе (осадке). Этот анализ является одним из важнейших при изучении обломочных компонентов горных пород, а поскольку именно эти компоненты составляют основу обломочных пород, то анализ является также одним из ведущих при исследованиях именно обломочных пород.

Ситовой и гидравлический - методы гранулометрического анализа.

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.

Выполнение гранулометрического анализа лабораторными методами анализа требует определенного лабораторного оборудования, реактивов и в самом общем виде состоит из двухпоследовательных операций -- дезинтегрирования сцементированной породы (для рыхлых пород отсутствует) и разделения нерастворимого обломочного материала на фракции.

Последняя операция 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.

Минералогический анализ обломочных зерен.

Минеральный состав зерен, слагающих обломочные породы и являющихся примесями в других породах, кроме изучения в стандартных шлифах, исследуют и непосредственно в зернах. Для этого используют фракции, полученные в результате гранулометрического анализа или в виде нерастворимого остатка других пород -- карбонатных, реже солевых и т.д.

Перед минералогическим анализом зерна исследуемой фракции обычно делят на две части, условно называемые легкой и тяжелой фракциями.

Разделенные таким образом фракции промывают, высушивают и исследуют под микроскопом в постоянных или временных препаратах.

Химический анализ.

Задачей химического анализа пород является определение состава основных слагающих ее элементов, чаще выражаемых в виде оксидов. Полный, или силикатный, анализ, когда определяется практически весь набор породообразующих элементов, из-за своей сложности и относительно

высокой стоимости используется достаточно редко. Значительно более широко проводится карбонатный шестикомпонентный анализ с определением нерастворимого остатка (Н.О.), полуторных оксидов (R2O3 -- сумма Fe2O3, Al2O3 и др.), CaO, MgO, SO4 и CO2.

Знание химического состава необходимо при использовании осадочных пород как полезных ископаемых. При петрографических исследованиях совершенно необходимо пересчет результатов химического анализа на минералы проверить независимыми методами. Дело в том, что одинаковый набор элементов (оксидов) может дать разные минералы.

Электронная микроскопия.

Для изучения тонкодисперсных пород, и прежде всего глинистых, а также некоторых других используются электронные микроскопы, увеличение которых достигает миллиона раз, а разрешающая способность составляет 10^-9 - 10^-10 м.

В электронных микроскопах просвечивающего типа на экране видны контуры изучаемых частиц, что позволяет определять их размер и форму, а по ним иногда и минеральный состав.

Большим достоинством этого метода является возможность широко менять масштаб изображения за счет изменения увеличения от нескольких десятков до полутора сотен тысяч раз.

Благодаря этому можно изучать не только очень тонкодисперсные глинистые минералы, но и морфологию более крупных кристаллов, остатков раковин, характер поверхности аморфных выделений, структуру порового пространства, характер его заполнения и т.п.

Рентгеноструктурный анализ

Методы рентгеноструктурного анализа основаны на явлении дифракции рентгеновских лучей от плоскостей кристаллической решетки. Поскольку кристаллическая решетка разных минералов различна, по характеру дифрактограмм возможно определить ее структуру, а следовательно, и сам минерал. Наибольшее распространение эти методы получили при изучении тонкодисперсных глинистых пород и частично карбонатных. Именно эти методы позволили установить и описать две разновидности кальцита -- обычный стабильный низкомагнезиальный и метастабильный высокомагнезиальный.

Важным достоинством метода является то, что возможно определение минералов как в мономинеральной породе, так и в полиминеральной, в частности, в смеси глин разного минерального состава.

Термические методы анализа.

При последовательном нагревании минералов с ними происходят различные изменения: как их физического состояния (плавление, испарение), так и, что более важно, химического состава. Последние, по сути дела, ведут к фазовым превращениям -- потере воды, вначале кристаллизационной, затем конституционной, разложению на определенные компоненты и т.д. Все эти превращения сопровождаются либо выделением тепла (экзотермические реакции), либо его поглощением (эндотермические реакции), причем эти фазовые переходы и связанные с ними скачки температуры специфичны для каждого минерала. Такие термические эффекты фиксируют на термограммах в координатах «температура -- время» либо в виде дифференциальной кривой в координатах «разность температур изучаемого вещества и эталона -- температура среды (или время)». При этом в качестве эталона подбирается вещество, которое нагревается постепенно без изменения, т.е. без появления каких-либо термических эффектов.

Различные модификации термических анализов с успехом применяются при изучении глинистых и карбонатных пород.

Спектральный и изотопный анализы.

При очень высокой температуре вещество испаряется, слагающие его отдельные атомы за счет этой энергии возбуждаются и излучают специфические для каждого элемента спектры. Изучение этих спектров и сравнение их с эталонами позволяет определять набор элементов и их концентрации.

Спектральный анализ относительно дешев, обладает высокой производительностью , что позволяет устанавливать наличие и содержание нескольких десятков элементов, используя очень небольшое количество вещества.

Наличие же тех или иных элементов, их соотношения часто дают очень

ценную информацию о геохимических условиях образования и преобразования пород.

Глава 3. Изучение осадочных пород в шлифах под микроскопом

У меня есть опыт изучения осадочных горных пород как в полевых, так и в лабораторных условиях . Но более точный анализ осадочной породы можно провести применяя лабораторный метод исследования - изучение пород в шлифах под микроскопом.

Микроскопическое исследование пород в шлифах является наиболее распространенным и универсальным методом изучения осадочных горных пород. Изучение шлифов осадочной породы позволяет определять и описывать два важнейших показателя -- минеральный состав породы (эта задача существенно осложняется лишь для очень тонкодисперсных глинистых пород, о чем будет сказано в соответствующих разделах) и ее структуру, а иногда и текстуру.

Каждая порода требует и своего своеобразного изучения и описания, которые будут рассмотрены при характеристике конкретных пород.

В общем виде, структурно, т.е. по своему строению, каждая осадочная порода состоит из двух составных частей -- форменных элементов и связующей их массы.

Каждая из структурных частей имеет свое происхождение. Так, форменные элементы могут быть обломочными (зерна кварца, полевых шпатов, вулканогенный материал), органогенными (скелетные остатки организмов и их обломки) или биохемогенными (оолиты и т.д.). Связующая масса часто имеет хемогенное происхождение, однако может быть и аллотигенной, таковы, например, в массе своей глинистые цементы обломочных пород.

Задача описания осадочной горной породы и состоит в характеристике ее основных составных -- структурных и генетических -- частей и их взаимоотношений друг с другом.

Общая примерная схема изучения и описания шлифа

1. Общее название породы.

Дается по основному минеральному составу или, для обломочных пород, -- по структуре. То есть сначала надо в самом общем виде назвать породу -- известняк, ангидрит(по минеральному составу); алевролит, гравелит (по структуре) и т.д.

2. Описание форменных элементов.

2.1 Описание обломочной части.

2.1.1 Наличие или отсутствие обломочной части.

2.1.2 Содержание обломочной части в процентах от площади шлифа.

2.1.3 Характер распределения обломков в породе.

2.1.4 Структура обломочной части (размер, форма обломков, степень отсортированности).

2.1.5 Минеральный состав обломков.

2.2 Описание органических остатков.

2.2.1 Наличие или отсутствие органических остатков.

2.2.2 Количество их в процентах.

2.2.3 Характер распространения в породе.

2.2.4 Групповой состав организмов.

2.2.5 Степень сохранности органических остатков.

2.3 Описание форменных элементов необломочной природы (оолитов, углистых включения и т.д.).

2.3.1 Наличие или отсутствие таких форменных элементов.

2.3.2 Количество элементов в породе.

2.3.3. Тип форменных элементов.

2.3.4 Количество их в процентах.

2.3.5 Характер распределения в породе.

3. Описание хемогенной, в том числе цементирующей части.

3.3 Наличие или отсутствие хемогенной части.

3.4. Количество хемогенной части в породе.

3.5. Характер распределения в породе.

3.6 Минеральный состав.

3.7 Структура, в случае цемента -- его тип.

4. Описание микротекстуры породы.

4.3 Наличие и отсутствие микротекстуры.

4.4 Виды микротекстуры и их характеристика.

5. Описание вторичных изменений.

5.3 Наличие или отсутствие вторичных изменений.

5.4. Форма и масштабы проявления.

6. Описание пустотного пространства.

6.3 Наличие или отсутствие пустот.

6.4 Формы проявления -- поры, каверны, трещины и т.д.

6.5 Характеристика пустот -- размеры, форма, связанность, количество, распределение по площади шлифа и т.д.

7. Развернутое название породы и выводы об условиях ее образования.

Глава 4. Особенности петрографического изучения песчано-алевритовых отложений

При изучении песчаных и алевритовых пород применяют уже иные методы, чем при исследовании грубообломочных отложений. Значительно меньший размер зерен, слагающих песчано-алевритовые породы, резко увеличивает значение камеральных приемов. Чтобы полно охарактеризовать особенности и свойства этих пород, необходимо провести следующий комплекс исследований: а) определить структуру породы; б) установить вещественный (минералогический) состав ее; в) изучить форму и характер зерен обломочного материала; г) изучить цемент (его состав, количество, тип и другие признаки) и дать характеристику минеральным. новообразованиям; д) определить пористость породы; е) отметить цвет породы и по возможности установить причины, его обусловливающие; ж) описать текстурные признаки породы; з) определить включения органических остатков.

Остановимся более подробно на каждом из перечисленных пунктов. При полевых наблюдениях размер зерен песков и слабо сцементированных песчаников можно довольно точно определить, пользуясь обычной бумагой-миллиметровкой. Но таким образом можно установить лишь наличие зерен той или иной величины, количественные же соотношения фракций определяются на глаз. Для прочно сцементированных пород макроскопически установить структуру можно или в крупнозернистых разностях, или в образцах, где терригенный материал более или менее резко отличается от цемента (по твердости, цвету). В тонких разностях выяснить структуру значительно сложнее и в ряде случаев приходится прибегать к сопоставлениям с ранее изученными образцами однотипных пород.

В камеральных условиях структура породы обычно определяется гранулометрическим анализом. Однако этот метод дает хорошие результаты лишь для рыхлых пород и для песчаников и алевролитов с хорошо растворимым цементом. У песчаников и алевролитов с нерастворимым цементом гранулометрический состав изучается в шлифах под микроскопом с окулярмикрометром. Степень отсортированности песков и песчаников при детальном исследовании гранулометрического состава выражается в количественном содержании каждой фракции. Хорошо отсортированный песок, песчаник или алевролит содержит одну из образующих его фракций в количестве более 50%; в плохо сортированных породах -- несколько фракций и ни одна из них не достигает 50%.

При описании минералогического состава песчаных пород нужно строго разграничивать состав обломочной части и цемента. Обычно основное название породы дается по составу обломочного материала.

При макроскопическом изучении пород трудно точно выяснить полный минералогический состав слагающих их зерен. В редких случаях состав песков или песчаников можно установить по цвету (гранатовые пески).

Легко определить преобладание в породе кварца, однако и здесь могут быть ошибки, так как нередко полевые шпаты путают с кварцем.

Наличие не железистых рубашек или пленок и иных темных налетов на обломочном материале значительно затрудняет полевое описание. Наиболее полное минералогическое изучение производится в иммерсионных препаратах. Петрографический состав обломков пород определяется в шлифах. При микроскопических исследованиях составные части песчаных пород по своему количеству могут быть разбиты на три группы: главную составную часть, определяющую основной характер породы; примесь, в процентном отношении незначительную (1--10%), но легко заметную (иногда даже макроскопически), и редко встречающиеся минералы, содержащиеся в ничтожном количестве (десятые и сотые доли процента каждый или 0,5--2% вместе взятые). Редко встречающиеся минералы обычно в шлифах не обнаруживаются.

При описании шлифов или иммерсионных препаратов под микроскопом необходимо отмечать степень выветрелости зерен различных минералов, а также следы их вторичных изменений и механического воздействия на них. Важно производить по возможности детальные видовые определения минералов, в частности полевых шпатов, роговых обманок, пироксенов и т. д., а также обломков пород.

При описании особенностей зерен того или иного минерала и особенно кварца следует учитывать и наличие в них трещиноватости. включений пузырьков газа, воздуха и мельчайших кристаллов акцессорных минералов; отмечают и характер угасания. Одновременно в шлифах или иммерсионных препаратах обычно производят подсчет процентного содержания терригенных минералов и обломков пород.

При полевом описании наблюдения над формой зерен могут быть сделаны лишь в редких случаях -- в более грубозернистых и не сцементированных разностях. Макроскопически хорошо заметна резко угловатая форма зерен в туфогенных и туффитовых песчаниках.

В шлифах форма зерен определяется точнее. Здесь имеется возможность точно фиксировать, какие терригенные обломки в зависимости от размера и их состава обладают той или иной формой. Но и в шлифах. поскольку каждое зерно в нем наблюдается только в одном разрезе, не дающем представления о его форме в целом, не всегда можно правильно охарактеризовать степень окатанности обломочного материала.

Более точные результаты получаются при определении формы зерен под бинокулярном лупой; последнюю особо удобно применять для изучения песков или легко дезинтегрируемых песчаников. Однако использование бинокулярной лупы, в силу оптических свойств прибора, ограничивается определенной размерностью фракций, а именно фракцией с размером больше 0,25 мм; форму зерен более мелких фракций определяют под микроскопом. При изучении материала под бинокулярной лупой на стекло равномерно насыпают в один слой исследуемую фракцию и подсчитывают количество зерен по указанным выше группам. При изучении формы мелких зерен пользуются имерсионными препаратами. Макроскопически в полевых условиях можно довольно точно определить состав цемента по реакции пород с HCl, по размоканию породы в воде, по цвету, по характерному излому и т. д. (М. С. Швецов, 1948, стр. 222). Однако все эти определения необходимо проверять при камеральной обработке материала, изучая цемент в шлифах. Отдельные, трудно определимые составные компоненты можно исследовать также в иммерсии.

При изучении характера цементации очень важным является выделение первичного и вторичного цемента, выяснение последовательности выделения разнообразных новообразований во время цементации песчаников, а также нахождение реликтов прежних типов цемента.

В непосредственной связи с цементацией песчаников находится крепость и пористость этих пород. Крепость или прочность породы часто смешивают с ее твердостью. Твердость определяется минеральным составом зерен и цемента. Крепость же породы, на которую, безусловно, влияют и свойства слагающих ее минералов, прежде всего обусловливается типом ее цементации и сохранностью цемента. Ориентировочно и условно ее следует определять в поле (крошится порода, не крошится, как она раскалывается). Точное определение крепости путем лабораторных исследований производится лишь при специальных исследованиях.

Изучение песчаников в шлифах обычно позволяет довольно точно говорить и о причнне той или иной степени крепости породы.

Пористость пород обычно определяется методом пропитывания керосином (И. А. Преображенский, 1931, 1932). Структура порового пространства изучается под микроскопом в шлифах образцов, пропитанных бакелитом (П. П. Авдусин и М. А. Цветкова, 1938).

В тесной связи с минералогическим составом терригенной части породы и с составом цемента обычно находится цвет песчаников. Цвет определяется макроскопически в основном при полевых исследованиях. При описании цвета необходимо отмечать степень его постоянства, характер возможных изменений его от кровли к подошве слоя. В случае пятнистой окраски, которая нередко наблюдается среди пестроцветных осадков, необходимо отметить основной тон породы и цвет пятен. Иногда применяют лабораторные методы определения цвета (см. ч. II). Изучение породы в шлифах позволяет более точно установить причину той или иной окраски.

Существенным разделом изучения песчаников и алевролитов является изучение их текстуры, т. е. прежде всего их слоистости. Эта работа целиком производится в полевых условиях.

Органические остатки в породах являются чрезвычайно важным компонентом для разнообразных выводов об условиях образования пород. Поэтому при полевых наблюдениях необходимо тщательно фиксировать в песчаниках и алевролитах присутствие растительных остатков и остатков фауны. Важно отмечать характер сохранности остатков фауны и флоры, их размеры, распределение и расположение в породе и для хорошо сохранившихся форм положение раковин по отношению к плоскости наслоения. Если имеется возможность, то в полевых и особенно детально в камеральных условиях ведется определение органических остатков до родов и видов и производится относительный подсчет различных видов. В шлифах эти наблюдения дополняются выявлением степени изменения (углефикации) растительных остатков, разрушения и перекристаллизации обломков раковин и пр.

Помимо перечисленного, в полевых и камеральных условиях ведутся наблюдения над всевозможными включениями в породах -- конкрециями, секрециями, жилками, рассекающими породу, различными кристаллическими сростками. Описываются их структурные и текстурные признаки, размеры, расположение в породе, взаимоотношения с ней. Детально состав включений и их структура изучается уже в шлифах. Мелкие минеральные новообразования, присутствующие в песчаниках и алевролитах в виде зерен, тонкорассеянных выделений (иногда как продукт разложения терригенных зерен) и в виде цемента, исследуются в основном в шлифах.

Наряду с минералого-петрографическим изучением песчаников и алевритов, их необходимо исследовать также химически.

Список литературы

Кузнецов В.Г. К89 Литология. Осадочные горные породы и их изучение: Учеб. пособие для вузов. -- M.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. -- 511 е.: ил.ISBN 978-5-8365-0278-2

Размещено на Allbest.ru

...