МЕТОДИ ВИВЧЕННЯ ОСАДОЧНИХ ПОРІД

Дослідження осадочних порід поділяються на польові та лабораторні методи. Ці види досліджень є дуже важливими і завжди доповнюють одні другі. Слід пам’ятати, що осадочні породи завжди вивчаються в комплексі з польовими і лабораторними методами.

Польові дослідження. Багато відомостей про осадочні породи можна одержати тільки в полі, тому в польових умовах дослідник повинен виконати значний об’єм спостережень. Серед них найважливішими є такі:

1) вивчення форми та розмірів геологічних тіл та умов їх залягання;

2) прослідковування зміни порід по вертикалі та горизонталі, вивчення співвідношення з вищезалягаючими і нижчезалягаючими пластами;

3) проведення детального макроскопічного описування порід, їх текстурних і структурних особливостей, забарвлення в сухому і вологому стані, цементу і мінерального складу уламків (приблизно), з цією метою перевірити породу на реакцію з соляною кислотою в куску і в порошку, по можливості перевірити і на зміну забарвлення барвниками;

4) спостереження за типами шаруватості і її детальне описування: горизонтальна чи коса шаруватість, її різновиди, при цьому провести заміри товщини серій, окремих шарів, кутів нахилу та орієнтировки шарів у просторі; вести спостереження за іншими текстурами: знаки бриж, тріщини усихання, ієрогліфи та ін.; ці спостереження також повинні супроводжуватись замірами орієнтировки текстур;

6) з’ясування складу та умов захоронення (тваринних і рослинних) решток; якщо органічні рештки мають певну орієнтировку в розміщенні, то необхідно також робити відповідні заміри;

7) вивчення слідів життєдіяльності організмів: ходів черв’яків, мулоїдів, шляхів повзання і свердлильщиків;

8) описування різних включень, конкрецій і конкреційних утворень;

9) при описуванні розрізів необхідно відбирати зразки на границі нашарувань, а також з кожного шару; бажано відбирати свіжі зразки і досить великого розміру (5х9х12 см, сипучих порід – біля 1 кг);

10) на основі одержаних даних необхідно в полі робити попередні заключення про фаціальний характер осадків або порід;

11) при вивченні розрізів в полі слід звертати увагу на чергування порід різного мінерального складу і фаціальних груп , відмічати явища ритмічності і циклічності.

Відбір керну з бурових свердловин проводиться в інтервалах передбачених геолого-технічною документацією та в залежності від призначення свердловин. В свердловинах, які буряться першими на слабовивчених площах, відбір керну складає від 10 до 50% від загальної глибини свердловини, в пошуково-розвідувальних - 3-5%. Вимоги до описування керну такі ж самі, як і для описування зразків відібраних з відслонень. Керн необхідно ще в полі детально описати і покласти в кернові ящики, супроводжуючи ці дослідження етикетками покладеними у верхній та нижній частинах керну. В етикетках приводиться детальна прив’язка керну, тобто вказується назва площі, номер свердловини, інтервал відбору керну та довжина винесення керну. Зразки керну, які мають ознаки нафтогазонасиченості, упаковуються в герметичний матеріал, і в першу чергу, відправляються на лабораторні дослідження для вивчення колекторських властивостей пласта.

Лабораторні дослідження. В лабораторних умовах всіма доступними методами осадочні породи вивчаються всесторонньо. Існує три напрямки лабораторних досліджень.

1) Вивчення структурно-текстурних особливостей, які мають важливе значення для вивчення генезису порід. Ці дослідження починаються ще в полі і завершуються в лабораторії. Вивчення структур і текстур проводиться в пришліфовках зразків, в шліфах для зцементованих порід і методами гранулометричного аналізу для рихлих порід.

Для крейди, мергелів і глин застосовують зволоження водою спеціально зачищених ножем поверхонь і просочування трансформаторним маслом і різними барвниками.

2) Визначення речовинного, мінералогічного складу породи – є однією із основних задач петрографа, літолога, яке необхідне для визначення як самої породи, так і для з’ясування її генезису і практичного використання.

Речовинний склад визначається різними методами.

1) Мікроскопічний метод базується на вивченні порід в шліфах, аншліфах і зернах в імерсії. Зцементовані породи вивчаються, в першу чергу, в шліфах, рихлі – в зернах.

2) Хімічний аналіз повний або частковий, а також аналіз водних і кислотних витяжок для визначення окремих елементів і сполук.

3) Спектральний аналіз для визначення вмісту дуже дрібних і рідкісних елементів.

4) Хроматичний аналіз (метод забарвлення) для визначення мінерального складу глинистих порід і діагностики карбонатних мінералів в різних карбонатних породах.

5) Крапельний аналіз для визначення мінерального складу глинистих порід.

6) Термічний фазовий аналіз.

7) Рентгенівський аналіз.

8) Електронна мікроскопія.

При масових дослідженнях літологи застосовують мікроскопічний метод вивчення шліфів та імерсійних препаратів, а також ряд допоміжних методів: вивчення глинистих і карбонатних порід методом забарвлення, крапельний метод визначення мінерального складу глин.

Хімічний аналіз, термічні, рентгенівські та елекктронно-мікроскопічні дослідження проводяться вибірково для невеликої кількості найбільш типових зразків.

Вивчення фізичних властивостей порід. Вивчення фізичних властивостей осадочних порід необхідне для визначення їх колекторських властивостей, при гідрогеологічних та інженерно-геологічних дослідженнях.

Термічний аналіз. Метод нагрівання та охолодження мінералів з реєстрацією зміни температур або різниці температур в часі одержав назву термічного фазового аналізу і використовується для діагностики мінералів.

У процесі нагрівання в мінералах відбуваються різні зміни: обезводжування – втрата води при руйнуванні кристалічної решітки і без руйнування в залежності від типу води, дисоціація – розпад з виділенням газової фази, плавлення, поліморфні перетворення, окислення, розкристалізація, перекристалізація та ін.

Реакції обезводжування, дисоціації, плавлення і поліморфних перетворень відбуваються при поглинанні тепла і називаються ендотермічними. Реакції окислення, кристалізації і перекристалізації відбуваються з виділенням тепла і називаються екзотермічними.

Крива нагрівання термічного інертного мінералу або речовини буде виглядати так, як і крива нагрівання самої печі, так як в процесі нагрівання не відбувається ні виділення, ні поглинання тепла речовиною в інтервалі температур від 0 до 1200°С. Крива нагрівання термічно активного мінералу суттєво відрізняється від кривої нагрівання печі. Під час екзотермічної реакції на кривій нагрівання спостерігається згин внаслідок того, що тепло витрачається на реакцію, і хоча температура печі продовжує підвищуватись, температура в зразку мінерала залишається на одному і тому ж рівні. Під час екзотермічної реакції у зразку, щоб підняти ефективність метода застосовують диференційований запис. Для цього нагрівають два зразки одночасно – термічно інертну і термічно активну речовину (досліджуваний мінерал) – і реєструють різницю температур, яка спостерігається в цих зразках. Якщо у досліджуваному мінералі не відбуваються термічні реакції, то температура в мінералі та в інертній речовині однакова, різниця температур дорівнює нулю і крива буде представляти пряму лінію, паралельну осі абсцис (нульова лінія). При ендотермічній реакції температура в досліджуваному мінералі буде нижчою, ніж в інертній речовині і крива відхилиться вниз від нульової лінії. Екзотермічна реакція проявляється відхиленням кривої в протилежний бік від нульової лінії ,так як температура в досліджуваному мінералі буде вищою, ніж в інертній речовині.

При термічному аналізі крім правильного вибору опору в системі температур важливо правильно вибрати еталон. Еталон повинен бути в термічному відношенні рівноцінним досліджуваній речовині (теплоємність, теплопровідність та ін.).

Криві нагрівання реєструються за допомогою термопар і гальванометрів візуально або автоматично (фотозапис). В якості термопар використовують сплав нікелю з хромом, нікелю з алюмінієм, кремнеземом, марганцем. Градуювання термопар проводиться шляхом визначення характерних точок плавлення, кристалізації, поліморфних перетворень вже відомих речовин: свинцю, сульфатів натрію і калію та ін.

Поряд з кривими нагрівання для характеристики мінералів використовують криву втрати маси (для водних мінералів – крива обезводжування).

Найбільш сучасною установкою для термічного аналізу є дериватограф, який випускається заводом Оріон в Будапешті. Він дозволяє одночасно записувати 4 криві: температурну, диференційну, криву втрати маси і диференційну криву втрати маси.

Термограми розшифровуються шляхом порівняння з термограмами еталонних зразків чистих мінералів або їх сумішей. Термічний аналіз дає якісну характеристику речовини. Деякий кількісний елемент вноситься реєстрацією кривих втрати маси. Термічний аналіз широко використовують для характеристики тонкодисперсних речовин, зокрема для глинистих порід.

Глинисті мінерали представляють собою водні силікати та алюмосилікати з шаруватою та шарувато-стрічковою структурою. Всі вони вміщають різні типи води, що визначає їх поведінку при нагріванні.

Мінерали групи каолініту при нагріванні показують один екзотермічний ефект при температурі 500-700°С, обумовлений втратою конституційної води та аморфізацією мінералу.

Мінерали групи монтморилоніту при нагріванні показують три екзотермічні ефекти при температурах 100-200, 500-700 і 800-900°С. Перший з них пов’язаний з втратою міжпакетної води і є найбільш інтенсивним, другий, і, очевидно, третій пов’язані з втратою конституційної води.

Мінерали групи гідрослюд характеризуються трьома ендотермічними ефектами при температурі 100-200, 500-700 і 850-950°С. Перший ефект обумовлений виділенням адсорбованої води, частково можливо міжпакетної. Він проявляється значно слабше, ніж в монтморилоніту. Другий і третій ефекти пов’язані з виділенням конституційної води і супроводжуються аморфізацією мінералу (біля 900°С).

Значно складніше виглядають криві нагрівання мінеральних сумішей, змішаних зростків мінералів і полімінеральних глинистих порід, які фіксують термічні ефекти двох і трьох мінералів одночасно.

Рентгеноструктурний аналіз. При опроміненні кристалів рентгенівськими променями спостерігається дифракція. Дифракцію рентгенівських променів в кристалах можна спостерігати як відбиття їх від плоских сіток просторової гратки. Відбиття рентгенівських променів відбувається тільки в тому випадку, якщо вони підсилюються завдяки відбиванню цілого ряду плоских сіток просторової гратки, тобто відбувається інтерференція. Умови інтерференції визначаються за рівнянням Брегга-Вульфа:

де: D – різниця ходу променів, відбитих від двох сусідніх плоских сіток; d – віддаль між плоскими сітками (міжплощинна віддаль); q – кут відбиття; l – довжина хвилі, n – ціле число.

Опромінюючи кристали рентгенівськими променями і реєструючи результати, можна, використовуючи формулу Брегга-Вульфа, встановити величину міжплощинної віддалі, а на основі цього визначити назву мінерала. Рентгенівські дані дозволяють також визначити симетрію, розміри елементарних комірок і на основі цих даних також визначити мінерал.

При дослідженні мінерально-петрографічних об’єктів найчастіше використовують метод порошку (метод Дебая). Зразок породи попередньо розтирають в агатовій ступці, одержаний порошок пресують в стовпчик діаметром 0,5 – 1 мм висотою 7-10мм. Стовпчик за допомогою пластиліну кріплять на держаку і ретельно відцентровують.

Рентгенівські камери представляють собою закриті металічні циліндри з рухомим дном і двома вузькими отворами для входу і виходу променів. Один отвір у вигляді трубки діаметром до 1 мм є діафрагмою, через яку попадає вузький пучок променів з трубки. Другий отвір представляє собою пастку (діаметр 2-3 мм) і має флуоресцентний екран для форсування пучка променів і перевірки правильності установки під час роботи. Для реєстрації відбитих від зразка променів на стінку камери спеціальними держаками закріпляють фотоплівку, на якій одержують зображення (дебаєграму).

Мінерали за даними дебаєграми визначаються шляхом порівняння з дебаєграмами еталонних зразків.

Рентгенівський аналіз, який виявляє наявність більшості мінералів в сумішах, навіть, якщо їх вміст дорівнює 5-6%, особливо важливий для діагностики глинистих порід.

У даний час для проведення структурного аналізу поряд з рентгенографією використовують електронографію, яка відрізняється тим, що замість рентгенівських променів використовують потік електронів і замість дифракції рентгенівських променів при проходженні їх через кристали – дифракцію електронів.

Електроннографічні дослідження проводяться на спеціальних приладах – електронографах і на електронних мікроскопах устаткованих спеціальними електронографічними насадками.

Електронна мікроскопія. Сучасні електронні мікроскопи дають збільшення від 1500-2000 до 1000000-500000 разів. В електронному мікроскопі на відміну від звичайного замість скляних лінз використовують електромагнітні або електростатичні лінзи – магніти або електромагніти і замість променів звичайного світла – потік електронів. Для того щоб одержати потік електронів використовують високу напругу (50-100 кВ), а в колоні-тубусі мікроскопа підтримується високий вакуум (0,133 Па), необхідний для вільного проходження електронного пучка.

Зображення об’єкта досліджень на електронному мікроскопі не можна побачити безпосередньо оком. Для того щоб воно стало видимим, застосовують спеціальний екран, що має флуоресцентні властивості або фотознімки. Електричний мікроскоп дає можливість досліджувати об’єкти на просвічування і на відбиття. Мінералого-петрографічні об’єкти вивчаються в основному на просвічування.

Дослідження мінералів і гірських порід за допомогою електронного мікроскопа здійснюється прямим шляхом – вивченням тонких частинок діаметром менших 0,001 мм, взятих із спеціально приготовлених суспензій, і непрямим – вивченням відбитків-реплік окремих частинок і природного сколу поверхні мінералів або породи.

Дослідження за допомогою електронного мікроскопа дозволяють судити про мінерали за їх формою і будовою, але деякі мінерали із-за умов формування або методів підготовки (розтирання) можуть втратити правильну кристалографічну форму. В цьому випадку досить важливо визначити мінерал. Цьому недоліку електронної мікроскопії в даний час можна запобігти завдяки використанню мікродифракції – дифракції електронів від окремих частинок. Дифракційна картина дає уяву про структуру мінерала і відповідно дозволяє визначити мінерал.

Поряд з електронними мікроскопами, які просвічують мінерал, в даний час широко використовують растрові (скануючі) електронні мікроскопи, які дають знімки досить високої якості.

Люмінесцентний аналіз. Оснований на здатності мінералів або хімічних сполук світитись при опроміненні їх ультрафіолетовими катодними і рентгенівськими променями.

Люмінесцентний аналіз використовують в різних варіантах і досить широко, зокрема для діагностики мінералів в зернах і порошках, для виявлення та діагностики бітумінозних речовин в породах (люмінесцентно-бітумінологічний аналіз) при вивченні викопного вугілля та окремих інгредієнтів вугілля.

При діагностиці мінералів в зернах та порошках при опроміненні встановлені такі закономірності. Зокрема, кальцит в ультрафіолетових променях світиться червоним кольором, в катодних – оранжевим, доломіт в ультрафіолетових променях – жовтий, в катодних – фіолетовий, алмаз в ультрафіолетових променях – зелений, в катодних – голубий і т.д.

При вивченні та діагностиці бітумінозних речовин в породах існує декілька варіантів цього методу. Зміст найпростішого з них полягає в тому, що на свіжий злам породи капають краплю хлороформу, який розчиняє і витягає бітум на поверхню. Появляється невелика пляма, яка при опроміненні ультрафіолетовими променями світиться: як правило бітум С світиться темним, оранжевим і голубим кольорами, бітум А – бурим, коричневим кольорами. Характер свічення бітумів залежить від їх концентрації, тому крапельним методом можна виявити наявність бітумів у породі, а визначення їх типів вимагає спеціальних досліджень.

Широко застосовується напівкількісний (еталонний) аналіз. Для цього бітуми вилучають з породи розчинником і порівнюють свічення одержаного розчину з еталонним розчином. Порівнюють візуально або фотометрично. Застосовують також люмінесцентно-капілярний, люмінесцентно-хроматографічний, екстракційний та інші різновидності люмінесцентно-бітумінологічного аналізу.

Джерелом ультрафіолетових променів служать кварцово-ртутні лампи, лампи нагрівання зі спеціальними нитками, люміноскопи ЛЮМ-1, ЛЮМ-2, ЛСП-101, люмінесцентний мікроскоп ЛМ-2 та інші моделі. Для діагностики мінералів і виявлення бітумів застосовують пряме опромінення об’єкту, спостереження ведуться візуально.