ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД НА СТАДИИ ДИАГЕНЕЗА

    Формирование микроструктуры глинистой  породы на стадии раннего диагенеза (преобразования) осадка сначала обусловлено процессами уплотнения и дегидратации. Они сопровождаются старением алюмокремниевых гелей, изменением состава и концентрации электролита порового раствора, биохимической деятельностью микроорганизмов, трансформацией органического вещества, синерезисом (самопроизвольное уплотнение осадка, сопровождающееся оттоком воды). При этом глинистая порода остается типичной коагуляционной дисперсной системой, а ее микроструктура полностью наследует микроструктуру осадка, сформированного во время его накопления. Однако могут происходить некоторое уменьшение общей пористости и переход имеющихся дальних коагуляционных контактов в ближние.
    В дальнейшем основным фактором преобразования микроструктуры глинистых пород при диагенезе становится гравитационное уплотнение, прогрессивно возрастающее с глубиной погружения осадка. Так, на глубине около 1000 м породы могут испытывать давление до 15 МПа. Процесс гравитационного уплотнения глинистых осадков сопровождается уменьшением влажности, повышением плотности и прочности, а также коренным изменением морфометрических (размер и форма структурных элементов), геометрических (ориентация структурных элементов) и энергетических (тип структурных связей между частицами) признаков микроструктуры. На рис. 1 (стадии 3, 4 ) приведены схемы трансформации микроструктуры глинистых пород в ходе диагенеза, а на рис. 3, а-е показаны РЭМ-фотографии соответствующих им пород.
    Общей тенденцией изменения микроструктуры глинистых пород на стадии раннего диагенеза являются укрупнение микроагрегатов, закрытие крупных и сокращение размеров мелких микропор (рис. 1, стадия 3 ; рис. 3, а-в). В том случае, когда исходный осадок представляет собой максимально диспергированную и уже ориентированную микроструктуру (рис. 1, б, стадия 2 ; рис. 2, в), помимо указанных изменений может происходить некоторое увеличение степени ориентации твердых структурных элементов (рис. 1, б, стадия 3, рис. 3, б ).    

Рис. 3. Микроструктура глинистых пород...

    Если первичный осадок слагается в основном пылеватыми зернами, покрытыми глинистыми рубашками, и имеет очень рыхлую скелетную микроструктуру, то за счет его гравитационного уплотнения происходит формирование более плотной и однородной микроструктуры, лишенной крупных межзернистых микропор (рис. 1, в, стадия 3 ; рис. 3, в).
    В результате уплотнения глинистых осадков, отжатия поровой влаги и сближения твердых структурных элементов в глинистой породе на стадии раннего диагенеза завершается процесс превращения всех дальних коагуляционных контактов в ближние. На этой стадии глинистая порода переходит в состояние пластичной системы с вязким характером деформирования, высокой и средней сжимаемостью, слабым и средним набуханием. Общая пористость породы уменьшается до 40%. Прочность на одноосное сжатие в таких породах может достигать 0,3-0,6 МПа.
    Наиболее существенные изменения в микроструктуре глинистых пород происходят на стадиях среднего и позднего диагенеза, когда наряду с интенсивным гравитационным уплотнением большое влияние также оказывают температура, состав и концентрация поровых растворов и другие факторы. Этап среднего и позднего диагенеза характеризуется интенсивным процессом переориентации и возрастанием степени ориентации твердых структурных элементов в направлении, перпендикулярном уплотняющей нагрузке (рис. 1, стадия 4 ; рис. 3, г-е). Подобные изменения микроструктуры можно объяснить увеличением эффективных напряжений на контактах по мере роста уплотняющей нагрузки, которые могут превысить порог ползучести для данной дисперсной системы. В глинистой породе начинают развиваться процессы ползучести, приводящие к переориентации минеральных частиц и их микроагрегатов и формированию контактов типа базис-скол под небольшим углом.
    Повышению степени ориентации твердых структурных элементов также способствует увеличение температуры глинистых пород, которая на глубине 300 м достигает 20?С и постепенно увеличивается вниз по разрезу к 1000-метровой отметке до 48?С.
    Структурная перестройка сопровождается заметным уплотнением и дегидратацией глинистой породы: общая пористость может уменьшаться до 35-45%, влажность колеблется от нижнего предела пластичности до максимальной молекулярной влагоемкости [1]. Все это влечет за собой изменение размеров твердых структурных элементов и пор. В глинистых породах с малым содержанием пылеватых и песчаных зерен формируются более плотные листообразные микроагрегаты. В породах морского генезиса наблюдается возрастание толщины микроагрегатов (рис. 1, а, стадия 4 ; рис. 3, г). Поровое пространство в подобных глинистых породах в основном представлено мелкими межмикроагрегатными микропорами. При диагенезе наблюдаются дальнейшее уменьшение размера этих микропор, начало уменьшения размера и возрастание количества тонких микропор (рис. 1, а, б, стадия 4 ; рис. 3, г, д ). В глинисто-пылеватых породах происходит уменьшение размера мелких межзернистых микропор (рис. 1, в, стадия 4 ; рис. 3, е). Форма пор становится преимущественно удлиненной и щелевидной.
    На стадии позднего диагенеза между структурными элементами в глинистых породах формируются более прочные переходные и фазовые контакты при сохранении некоторого количества ближних коагуляционных контактов. Формирование переходных контактов обусловлено появлением между двумя сближающимися базальными поверхностями глинистых частиц и их микроагрегатов катионных мостиков, связывающих соседние структурные элементы силами ионно-электростатического притяжения. Вклад этих сил в структурные связи намного превосходит молекулярное притяжение. Одновременно в некоторых точках объема породы, по-видимому, идет образование и фазовых контактов цементационной природы. Их появление обусловлено увеличением площади контакта, резким повышением концентрации солей в поровом растворе при уплотнении и дегидратации породы и цементирующим действием аморфного кремнезема, хемогенного кальцита, оксидами и гидроксидами железа и т.д. Присутствие прочных переходных и фазовых контактов определяет высокую прочность таких глинистых пород на одноосное сжатие ~ 0,5-3,5 МПа. Для пород характерна сильная анизотропия прочностных и деформационных свойств, обусловленная высокой степенью ориентации структурных элементов.

Назад| Следующая страница