Астронет > Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2

Астронет: Геологический факультет МГУ Геофизические методы исследования земной коры. Часть 2
http://variable-stars.ru/db/msg/1173324/page6.html

Геофизические методы исследования земной коры

1.4.1. Петрофизика и геофизические свойства горных пород.

Петрофизика (физика горных пород) - это прикладной раздел наук о Земле, находящийся на стыке геологии (петрологии, литологии, наук о полезных ископаемых, гидрогеологии, инженерной геологии, геокриологии и др.), геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инженерной, экологической), а также физических исследований Земли и физики вещества. Петрофизика изучает различные физические свойства горных пород, взаимосвязи их между собой и с физическими полями Земли. Основными разделами петрофизики являются:

исследования природы каждого из многочисленных геофизических свойств горных пород, зависимости их от естественных и техногенных факторов;
построение физической модели среды как непосредственно через измеренные свойства, так и по данным физико-математической интерпретации результатов различных геофизических методов;
построение физико-геологических моделей среды (ФГМ) в ходе геологического истолкования геофизических материалов.

С точки зрения петрофизики каждая горная порода - это сложное вещество трехфазового состава, т.е. состоящее из твердой (один или несколько минералов), жидкой (вода, нефть, нефтепродукты) и газообразной (воздух, горючие газы) фаз. Физические свойства горных пород определяются прежде всего свойствами самих фаз, их количественным соотношением в породе и взаимодействием. Такие физические свойства твердой фазы, как плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные, определяются, в основном, атомным строением химических элементов минералов, из которых состоит порода, соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз, температурой и зависят от геологических факторов: термодинамических условий образования магматических пород, степени их метаморфизма, условий накопления осадочных пород, структурно-текстурных особенностей массивов пород. Используемые в геофизике физические поля Земли определяются перечисленными геофизическими свойствами горных пород.

Существующие классификации горных пород, в основу которых положен их минеральный и химический состав, отличаются от петрофизических, основанных на фазовых состояниях горных пород. Одна из таких возможных классификаций дана в табл. 1.1. В ней приведены часто встречающиеся значения некоторых физических свойств горных пород: плотностных (плотности ( $\sigma$ ) и пористости ( $n$ )), упругих (скорости продольных ( $V _{ p}$ ) и поперечных ( $V _{ s}$ ) сейсмических волн), магнитных (магнитная восприимчивость ( $\chi$ ) и др.), электрических (удельное электрическое сопротивление ( $\rho$ ) и др.), изучаемые как в петрофизике, так и в теории соответствующих геофизических методов.

Т а б л и ц а 1.1

Породы Плотность $\sigma$ , г/см³ Пористость $n$ , % Скорости упругих волн Магнитная восприимчивость $\chi$ , 10^-5 ед. СИ Удельное электрич. сопр. $\rho$ , Ом*м

$V _{ p}$ , км/c $V _{ s}$ , км/с

газонас. водонас.

МАГМАТИЧЕСКИЕ
Ультраосновные (пироксенит, перидотит, дунит и др.)
3,2-3,3
0,1-0,5
7,5
8,5
4,5
1000-25000
10⁵ - 10⁸

Основные
габбро
диорит
2,9-3,0
2,7-2,8
0,01-1
0,01-1
6,0
5,6
6,6
6,3
3,8
3,5
300-15000
1000-70000
10⁴ - 10⁷
10³ - 10⁷

Кислые
гранодиорит
гранит
2,7
2,6
0,2-5
0,1-3
4,6
3,0
6,0
5,5
3,3
2,8
100-45000
50-40000
10³ - 10⁶
10³ - 10⁵

Эффузивные
диабаз
базальт
2,9
2,5
0,1-5
3-6
3,5
3,0
6,5
5,5
3,5
3,0
500-150000
100-150000
10⁵ - 10⁶
10³ - 10⁷

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ
Гнейсы
Сланцы
2,7
2,6
0,01-1
0,01-1
3,8
3,5
5,6
4,8
3,2
3,0
100-20000
50-3000
10³ - 10⁵
10³ - 10⁵

ОСАДОЧНЫЕ
Скальные и полускальные
известняк
доломит
мергель
песчаники

2,6
2,7
2,4
2,5

2-25
2-17
5-35
2-35

2
1
1,5
1

6
5,5
4,5
4,5

3
2,5
2
1

50-2500
50-800
10-1000
50-5000

100 - 10⁵
100 - 10⁴
10 - 10³
100 - 10⁴

Песчано-обломочные (рыхлые)
гравийно-галечные
пески
3
1,3-2
2-20
2-40
0,8
0,5
2,5
2
0,5
0,2
50-5000
50-2500
100 - 10³
10 - 10⁴

Пластичные (глинистые) (глина, аргиллит) 1,2-2,4 2-40 1,5 2,5 0,4 10-3000 1-100

1.4.2. Геолого-гидрогеологические свойства.

Горные породы различаются по минеральному составу, размерам твердых частиц, соотношению объемов твердой, жидкой и газообразной фаз, структурно-тектоническим особенностям и другим факторам, определяющим их геолого-гидрогеологические свойства. Некоторые из них, как и геомеханические, физико-механические, деформационно-прочностные и фильтрационно-емкостные (водо-, нефте- и газоколлекторские), могут характеризоваться количественно. К физико-механическим можно отнести следующие основные свойства (см. табл. 1.2):

средний диаметр твердых частиц ( $d _{ ср}$ в мм) рыхлых (песчано-обломочных) и пластичных осадочных пород;
литологию пластичных и рыхлых осадочных пород, которая численно может быть выражена, например, в виде арифметического ряда чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых, средних, легких глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), песков (10, 11, 12) , а также галечников (13) и валунов (14). В этом ряду Л пропорциональна среднему диаметру твердых частиц ( $d _{ ср}$ ), который является основным диагностическим признаком пластичных и рыхлых осадочных пород;
глинистость (Г) и коэффициент глинистости ( $С _{ г}$ ) песчано-глинистых пород: $Г = V _{ т ( \lt 0,01) } / V$ и $С _{ г} = m _{ т ( \lt 0,01) } / m$ , где $V _{ т ( \lt 0,01)}$ и $m _{ т ( \lt 0,01)}$ - объем и масса твердых частиц (глинистых минералов) с $d _{ cp} \lt$ 0,01 мм = 10 мкм, а $V$ и $m$ - общий объем и масса изучаемых пород. Здесь, как и везде в дальнейшем, отношения каких-либо объемов или масс измеряются в долях единицы или в процентах;
число пластичности (П_л), которым определяется способность глинистых пород деформироваться при обводнении;
пустотность (пористость) $n = V _{ п } / V _{ т}$ и коэффициент пустотности (пористости) $К _{ п } = V _{ п} / V$ , где $n = К _{ п } (1 - К _{ п} )$ , $V _{ п}$ - объем пустот. Это может быть первичная пористость рыхлых осадочных пород, вторичная трещиноватость скальных магматических, метаморфических и осадочных или то и другое, $V _{ т}$ и $V$ - объемы твердой фазы и всего образца изучаемой породы ( $V = V _{ т} + V _{ п}$ );
плотность ( $\sigma = m / V$ ) и минеральная плотность ( $\delta = m _{ т } / V _{ т}$ ), где $m _{ т}$ и $m$ - массы твердой фазы и всей изучаемой породы ( $\sigma$ и $\delta$ измеряются в г/см³ = 10³ кг/м³).

Т а б л и ц а 1.2

Инженерно-геологическиеи гидрогеологические параметры пород Глина Суглинок Супесь Песок Галечник Валуны

Т С Л Т С Л Т С Л МЗ СЗ КЗ

Л 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

d_ср, мм n*10^-5 n*10^-4 10^-3 0,002-0,005 0,005-0,01 0,01-0,02 0,02-0,05 0,05-0,1 0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1 1-2 3-10 20-80

Г, % $\ge 65$ $\ge 50$ $\ge 40$ $\ge 30$ $\ge 20$ $\ge 15$ 15-20 12-15 10-12 10 5 0 0 0

П 25 20 17 17-13 13-10 10-7 7 4 1 0 0 0 0 0

k_п, % 60 40 20 55 45 25 50 40 30 50 40 30 30

k_m , % 5 10 20 30 40

k_ф, м/сут 0,001 0,01 0,1 10 100

Примечание. Т, С, Л - тяжелые, средние, легкие породы соответственно; МЗ, СЗ,КЗ - мелко-, средне-, крупнозернистые пески соответственно.

К деформационно-прочностным свойствам можно отнести такие упругие свойства, как:

модуль упругости или модуль Юнга ( $Е$ ), являющийся коэффициентом пропорциональности между растягивающе-сжимающими напряжениями, действующими на упругое тело, и относительными линейными его деформациями того же направления;
коэффициент Пуассона $\nu$ - отношение поперечного сжатия к продольному удлинению при одноосном растяжении;
cкорости продольных ( $V _{ р}$ ) и поперечных ( $V _{ s}$ ) упругих (сейсмических) волн, аналитически связанных с $Е$ и $\sigma$ при малых напряжениях и деформациях пород, наблюдаемых при сейсмоакустических исследованиях, следующими уравнениями:

$V_{p} =\sqrt{ \frac{E(1-\nu )}{\sigma (1+\nu )(1-2nu )} },\; V_{s} =\sqrt{\frac{E}{2\sigma (1+\nu )} };$ (1.6)
модули общей деформации ( $Е _{ деф}$ ) и пределы прочности образцов горных пород при сжатии ( $\sigma _{ сж}$ ), характеризующие прочностные свойства образцов при значительных длительных нагрузках и др.

Модули $Е, Е _{ деф} , \sigma _{ сж}$ измеряются в паскалях (Па), $\nu$ - в относительных единицах, а скорости - в км/с.

К фильтрационно-емкостным относятся следующие основные свойства, характеризующие флюидонасыщенность, т.е. способность пористых пород удерживать, пропускать и отдавать жидкости и газы:

коэффициент водонасыщенности (общей влажности) $К _{ в} = ( V _{ связ} + V _{ своб} ) / V _{ п}$ , где $V _{ связ}$ - капиллярно и физически связанная вода, адсорбированная глинистыми частицами, $V _{ своб}$ - свободная вода, отдаваемая породой, например, при откачках из скважин, $V _{ п}$ - объем пор. Для полностью водонасыщенной породы $К _{ в}$ = 1;
активная пористость или водоотдача $К _{ \mu } = V _{ своб } / V _{ п}$ и коэффициент остаточного водонасыщения $К _{ во} = V _{ связ } / V _{ п}$ , указывающие на доли воды, извлекаемой и не извлекаемой из породы ( $К _{ в } = К _{ m} + К _{ во}$ );
коэффициент фильтрации ( $К _{ ф}$ ), которым определяется скорость (в м/сут) фильтрации свободных подземных вод, и коэффициент водопроводимости ( $Т = К _{ ф } h$ , где $h$ -мощность водоносного пласта, в м²/сут), которым характеризуется погонная мощность фильтрационного потока;
коэффициенты нефте-, газо-, водонасыщенности пор ( $К _{ н} = V _{ н } / V _{ п} ,\; К _{ г} = V _{ г } / V _{ п} ,\; К _{ в} = V _{ в } / V _{ п}$ , где $V _{ н} , V _{ г} , V _{ в}$ и $V _{ п}$ - объемы соответствующих фаз и общий объем пор);
коэффициент проницаемости ( $К _{ пр}$ ) - один из обобщенных параметров, характеризующий водоупорные и коллекторские свойства горных пород, т.е. способность их давать промышленные притоки нефти, газа, воды. Он сложным образом зависит от коэффициента пустотности, удельной поверхности и строения поровых каналов, пропорционален коэффициенту фильтрации и измеряется в (мкм)². К проницаемым коллекторам относят породы с $К _{ пр} \gt$ 10^-2 (мкм)², к полупроницаемым с $К _{ пр}$ = 10^-4 - 10^-2 (мкм)². Водоупорными считаются породы с $К _{ пр}\lt$ 10^-4 (мкм)².

Назад| Вперед

Породы	Плотность $\sigma$ , г/см³	Пористость $n$ , %	Скорости упругих волн			Магнитная восприимчивость $\chi$ , 10^-5 ед. СИ	Удельное электрич. сопр. $\rho$ , Ом*м
			$V _{ p}$ , км/c		$V _{ s}$ , км/с
			газонас.	водонас.	$V _{ s}$ , км/с
МАГМАТИЧЕСКИЕ Ультраосновные (пироксенит, перидотит, дунит и др.)	3,2-3,3	0,1-0,5	7,5	8,5	4,5	1000-25000	10⁵ - 10⁸
Основные габбро диорит	2,9-3,0 2,7-2,8	0,01-1 0,01-1	6,0 5,6	6,6 6,3	3,8 3,5	300-15000 1000-70000	10⁴ - 10⁷ 10³ - 10⁷
Кислые гранодиорит гранит	2,7 2,6	0,2-5 0,1-3	4,6 3,0	6,0 5,5	3,3 2,8	100-45000 50-40000	10³ - 10⁶ 10³ - 10⁵
Эффузивные диабаз базальт	2,9 2,5	0,1-5 3-6	3,5 3,0	6,5 5,5	3,5 3,0	500-150000 100-150000	10⁵ - 10⁶ 10³ - 10⁷
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ Гнейсы Сланцы	2,7 2,6	0,01-1 0,01-1	3,8 3,5	5,6 4,8	3,2 3,0	100-20000 50-3000	10³ - 10⁵ 10³ - 10⁵
ОСАДОЧНЫЕ Скальные и полускальные известняк доломит мергель песчаники	2,6 2,7 2,4 2,5	2-25 2-17 5-35 2-35	2 1 1,5 1	6 5,5 4,5 4,5	3 2,5 2 1	50-2500 50-800 10-1000 50-5000	100 - 10⁵ 100 - 10⁴ 10 - 10³ 100 - 10⁴
Песчано-обломочные (рыхлые) гравийно-галечные пески	3 1,3-2	2-20 2-40	0,8 0,5	2,5 2	0,5 0,2	50-5000 50-2500	100 - 10³ 10 - 10⁴
Пластичные (глинистые) (глина, аргиллит)	1,2-2,4	2-40	1,5	2,5	0,4	10-3000	1-100

Инженерно-геологическиеи гидрогеологические параметры пород	Глина			Суглинок			Супесь			Песок			Галечник	Валуны
Инженерно-геологическиеи гидрогеологические параметры пород	Т	С	Л	Т	С	Л	Т	С	Л	МЗ	СЗ	КЗ	Галечник	Валуны
Л	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
d_ср, мм	n*10^-5	n*10^-4	10^-3	0,002-0,005	0,005-0,01	0,01-0,02	0,02-0,05	0,05-0,1	0,1-0,2	0,2-0,5	0,5-1	1-2	3-10	20-80
Г, %	$\ge 65$	$\ge 50$	$\ge 40$	$\ge 30$	$\ge 20$	$\ge 15$	15-20	12-15	10-12	10	5	0	0	0
П	25	20	17	17-13	13-10	10-7	7	4	1	0	0	0	0	0
k_п, %	60	40	20	55	45	25	50	40	30	50	40	30	30
k_m , %	5			10			20			30			40
k_ф, м/сут	0,001			0,01			0,1			10			100
Примечание. Т, С, Л - тяжелые, средние, легкие породы соответственно; МЗ, СЗ,КЗ - мелко-, средне-, крупнозернистые пески соответственно.