18.01.2021

Факторы, контролирующие первичную пористость во время осадконакопления


Как показали Бирд и Вейл, пористость только что отложенного осадка зависит от пяти факторов: размера зерен, сортировки, формы зерен (изометричности), округленности зерен (угловатости) и характера упаковки. Были проведены большие исследования по изучению влияния этих факторов на первичную пористость. К. этим работам следует отнести теоретические математические разработки, экспериментальное изучение искусственных скоплений сферических частиц, рыхлых современных осадков и даже древних пород. Результаты этих работ мы рассмотрим теперь в отношении каждого из перечисленных факторов.

а. Влияние размера зерен на пористость

Теоретически пористость не зависит от размера зерен. Скопления сферических частиц с одинаковой сортировкой и одинаковой упаковкой будут иметь одну и ту же пористость независимо от размера частиц. Объем пор изменяется прямо пропорционально по отношению к объему сферических частиц. Роджерс и Хид, проведшие опыты с искусственными песками, показали, что в хорошо сортированных песках пористость не зависит от размера зерен. Такая «идеальная» ситуация редко наблюдается в природе. Приор анализировал тысячи образцов современных песков и показал, что пористость уменьшается с увеличением размера зерен. Однако речные пески показали обратную тенденцию, возможно, вследствие различий в характере упаковки. Ли показал, что в древних осадочных породах пористость также возрастает с уменьшением размера зерен. Эта тенденция, вероятно, обусловлена рядом факторов, только косвенно связанных с размером зерен. Более тонкие песчаники имеют обычно более угловатую форму и способны создавать более рыхлые упаковки, поэтому в таких песках пористость может быть выше, чем в крупнозернистых,

Какая бы ни была причинная зависимость, эмпирически было показано, что пористость обычно увеличивается с уменьшением размера зерен. Проницаемость, напротив, возрастает с увеличением размера зерен. Это имеет место потому, что в более тонкозернистых осадках каналы между порами тоньше, и стенки каналов из-за более высокого капиллярного воздействия препятствуют течению флюида.

б. Влияние сортировки на пористость

В ряде работ было показано, что пористость увеличивается по мере возрастания степени сортировки. Крумбейн и Монк и Бирд и Вейл показали, что увеличение степени сортировки сопровождается соответствующим повышением проницаемости.

Причину этих зависимостей нетрудно понять. В хорошо сортированных песках содержится больше обломочных зерен, чем основной массы. С другой стороны, в плохо сортированных песках обломочных зерен меньше, чем основной массы. Более мелкие зерна основной массы закупоривают как поры, так и каналы между ними, и поэтому пористость и проницаемость уменьшаются.

Исследования Приора современных песков из разных обстановок подтвердили эту зависимость для речных песков, хотя пляжные и дюнные пески оказались аномальными в том отношении, что их проницаемость увеличивалась с уменьшением степени сортировки.

в. Влияние формы и округленности зерен на пористость

Форма и округленность зерен явно влияют на величину меж-зерновой пористости. Влияние этих факторов почти не исследовалось, так как требуется затратить очень много времени для замеров таких параметров на образцах достаточно крупных, чтобы можно было прийти к убедительным выводам.

Фрезер пришел к выводу, что осадки, состоящие из изометричных зерен, обладают более низкой пористостью, чем осадки, состоящие из менее изометричных зерен. Он связывал это явление с тем фактом, что более изометричные зерна образуют более плотные упаковки.

г. Зависимость между текстурой и пористостью

Характер распределения частиц в осадке называется «текстурой». Под текстурой понимают также ориентировку зерен и способы их упаковки. Эти элементы текстуры тесно связаны с первичной пористостью.

д. Ориентировка зерен

Ориентировка частиц осадка обычно рассматривается по отношению к направлению транспортировки осадка (направлению потока) и горизонтальной плоскости.

Ориентировка галечниковых текстур довольно хорошо известна, так как относительно легко можно замерить длинные оси галек. Ориентировка песчаных зерен вплоть до недавнего времени была менее изучена, возможно из-за того, что она более сложна, но вероятнее — из-за большой трудоемкости определения размеров и количественных оценок.

Одна из характерных особенностей галечниковых текстур — черепитчатое расположение галек, при котором их длинные оси параллельны направлению потока и полого наклонены навстречу ему. Отдельные гальки на дне русла также часто расположены черепитчато (фиг. 14). Такие текстуры являются ценными индикаторами направления палеопотоков. Рассеянные гальки в диамиктитах также обычно расположены параллельно направлению потока. Это справедливо как для отложений иловых потоков, так и для ледниковых глин.

Изучения ориентировки галек, рассеянных во флювиальных отложениях, дали противоречивые результаты. Во многих работах, рассмотренных Шли, показано, что гальки длинными осями обычно располагаются параллельно направлению потока. Однако некоторые результаты изучения косослоистых песков показали такую же ориентировку в передовых слоях, тогда как в поверхностных и придонных дельтовых отложениях гальки своими длинными осями обычно располагались перпендикулярно направлению потока. С более подробным обзором этой проблемы можно ознакомиться в работе Джоханссона.

Исследования ориентировки песчаных зерен сдерживались тем обстоятельством, что раньше был только один метод, который заключался в замере индивидуальных зерен. Недавно были разработаны косвенные методы определения ориентировки таких зерен. Эти методы позволяют быстро определить ориентировку зерен в образцах.

Обычно наблюдалось, что зерна ориентируются параллельно направлению потока в горизонтально слоистых аллювиальных песках, турбидитах и морских барах. Следовательно, в русловых песках зерна ориентируются параллельно длинной оси песчаной залежи. Это направление совпадает с наибольшей проницаемостью, как это выявляется путем изопотенциального картирования. С другой стороны, в линейных барах песчаные зерна ориентируются перпендикулярно оси бара под воздействием прибоя. В этом случае направление оптимальной проницаемости может быть перпендикулярным длинной оси песчаного тела (фиг. 15). Рассмотренные различия подтверждаются результатами изучения проницаемости современных речных и морских пляжных песков.

е. Упаковка зерен

Гретон и Фрезер показали, что пористость осадка варьирует в зависимости от способа упаковки составляющих его зерен. Они рассчитали, что теоретически имеется шесть геометрических способов упаковки сфер одинакового размера. Эти способы варьируют от наиболее рыхлой «кубической» упаковки с теоретической пористостью 48% до плотнейшей ромбоэдрической (гексагональной) упаковки с теоретической пористостью 26%. Такие идеальные модели упаковки получались в тех случаях, когда использовались не сферические частицы, а вытянутые сфероиды, более похожие на реальные песчинки.

Хотя способ упаковки несомненно играет важную роль а определении величины пористости, этот параметр в отвердевших породах является одним из наиболее трудно измеряемых. Причины этого заключаются в трудности замеров, в отсутствии сведений о влиянии обстановки осадконакопления и осадочных процессов на характер упаковки и во влиянии на упаковку постседиментационного уплотнения.
Факторы, контролирующие первичную пористость во время осадконакопления

Ряд авторов предложили методы определения и количественной оценки упаковки. Эмери и Гриффитс предложили применять коэффициент упаковки, который определяется как произведение числа контактов зерен, наблюдаемых на пересечении шлифа, и среднего диаметра зерна, разделенного на длину пересечения. Кан назвал коэффициент упаковки близостью упаковки и видоизменил первоначальную формулу. Меллон предложил определять горизонтальный упаковочный отрезок, который представляет собой среднее горизонтальное расстояние между слагающими породу зернами.

Вся проблема с этими различными коэффициентами упаковки заключается в том, что измерение достаточного количества достаточно крупных образцов для получения надежных данных является исключительно трудоемким занятием. Кроме того, эти определения упаковки делаются на шлифах из отвердевших образцов. Можно пропитывать и рыхлые образцы и из них изготавливать шлифы, но маловероятно, чтобы при этом не нарушалась первоначальная упаковка.

Кроме того, Морроу установил, что упаковка в осадке будет изменяться от одного типа к другому в пределах отдельного прослоя и между соседними слойками.

Из-за этих сложностей почти ничего не известно о зависимости между характером упаковки и первично-осадочной пористостью. Попросту говоря, мы можем ожидать, что пелагические илы и турбидиты должны иметь более рыхлую упаковку, чем отложения постоянных потоков, и возможно, что косослоистые пески более рыхло упакованы, чем горизонтальнослоистые пески. Имеется очень мало данных, подкрепляющих эту концепцию. Приор показал, что современные речные пески более рыхло упакованы, чем пляжные и эоловые дюнные пески. Этот факт означает, что пост-седиментационное уплотнение переориентирует зерна таким образом, что первичная упаковка, возможно, не оказывает почти никакого влияния на величину пористости в литифицированных осадках.





Яндекс.Метрика