18.01.2021

Влияние диагенеза на пористость песчаников


Введение


Под диагенезом подразумевают различные постседиментационные, но дометаморфические процессы, которые ведут к изменению осадка. История и семантика этого термина рассмотрены Дюнойером де Сегонзаком.

Термин диагенез мы будем применять в том смысле, который придает ему Петтиджон: «Диагенез означает в основном те реакции, которые имеют место в пределах осадка между одним минералом и другим или между одним или несколькими минералами и интерстициальными или придонными флюидами».

Диагенез песчаников детально рассматривается во многих работах. Ниже описываются только те диагенетические изменения песачников, которые влияют на пористость.

Депплес разделил процесс диагенеза на три продолжительные и самостоятельные фазы, названные редоксоморфной, локоморфной и филломорфной. Нa любой из этих фаз песчаник может быть поднят к дневной поверхности и подвергнуться выветриванию. Таким образом может наступить четвертая фаза изменения, называемая эпидиагенезом, при котором ниже поверхности потенциального несогласия развивается вторичная пористость. Сейчас мы рассмотрим влияние процессов этих четырех фаз на изменение пористости.

Редоксоморфная фаза


Как только песок отлагается, он подвергается физическим процессам уплотнения и обезвоживания. Среди разных химических диагенетическнх изменений преобладают процессы окисления или восстановления, отсюда и название этой стадии — редоксоморфная (от слов «reduction» — восстановление и «oxidation» — окисление). Эти реакции осуществляются, естественно, при участии кислорода, железа, серы и органического вещества.

По существу, в песке, который имеет высокую проницаемость и отлагается выше уровня вод, будут протекать реакции окисления. Это происходит потому, что система пор насыщается воздухом и кислородсодержащими грунтовыми водами. Органическое вещество и соединения серы окисляются п выносятся в виде растворимых сульфатных ионов. Железо обычно сохраняется в виде окислов. Вот эти окислы железа и придают породам красную окраску. Они образуют пленки на обломочных зернах и находятся в смеси с глинистым матриксом. Это объясняет, почему большинство (но не все) красноцветных песчаников имеют континентальное происхождение — эоловое или флювиальное.

В противоположность описанным, в глинистых песках с низкой проницаемостью и в песках, отложенных ниже уровня вод, обычно преобладают реакции восстановления, что обусловлено относительным дефицитом свободного кислорода. Органическое вещество может сохраниться, а железо и сера соединяются с образованием пирита. Эти соединения при отсутствии красных окислов железа придают осадку серо-зеленую окраску.

Минеральные продукты этих окислительных и восстановительных реакций хорошо изучены. Общепризнано, что эти реакции действительно имеют диагенетическую природу и что первоначальный этап окисления или восстановления железа быстро достигает равновесия с диагенетической обстановкой.

Полевые и петрографические исследования показывают, что эти реакции завершаются на ранней стадии диагенеза.

Нa протяжении редоксоморфной фазы диагенеза пористость песка медленно уменьшается, но это обусловлено в основном влиянием уплотнения и дегидратации, а не химическими процессами. Иное положение наблюдается во второй фазе диагенеза песчаников.

Локоморфная фаза


Во второй, локоморфной фазе диагенеза в основном происходит цементация осадка.

Цемент — это кристаллическое вещество, которое осаждается в породах осадка после его отложения. Цемент следует отличать от матрикса — микрозернистого материала, который также выполняет поры, но имеет синседиментационное происхождение.

Цемент в песчаниках наиболее часто бывает двух типов — кремнистый и карбонатный. В песчаниках встречается множество других аутигенных минералов, но они редко присутствуют в таких количествах, чтобы могли служить цементом. К таким минералам относятся барит, целестин, ангидрит (на дневной поверхности — гипс), галит, гематит и полевые шпаты.

Все эти новообразованные минералы в общем уменьшают или полностью ликвидируют первичную межзерновую пористость и проницаемость песчаников. Теперь мы рассмотрим происхождение главных типов цемента — карбонатного и кремнистого.

а. Карбонатные цементы

Карбонатный цемент в песчаниках может быть представлен как кальцитом, так и доломитом.

Установлено, что в современных осадках цемент имеет как ара-гонитовый, так и кальцитовый состав. Эти находки указывают на то, что карбонатные цементы могут формироваться при обычных температурах и давлениях. Для их образования не требуется высоких температур или давлений. Минералы осаждаются из растворов, в которые карбонат кальция поступает как из реликтовых вод, отжимаемых при уплотнении осадка, так и за счет растворения раковин. В древних песчаниках арагоннтовый цемент не встречается вследствие превращения арагонита в кальцит — стабильную форму карбоната кальция.

Карбонатный цемент может быть представлен каемками из небольших кристаллов вокруг обломочных зерен, более крупными кристаллами, выполняющими поры, и кристаллами величиной до нескольких сантиметров, прорастающими песчаный каркас породы. Этот последний тип структуры носит название пойкилитового, или пойкилобластового. Макроскопически этот тип цемента легко определяется, так как песчаник разламывается преимущественно по плоскостям спайности минералов, которые проблескивают в солнечных лучах. Этот тип цемента известен как «блестящая вкрапленность». Следовательно, кальцитовый цемент может присутствовать в песчанике в достаточном количестве, чтобы заполнить всю первичную межзерновую пористость.

Доломит — другой обычный минерал, слагающий цемент песчаников. Обычно он встречается в виде ромбовидных кристаллов, которые сами по себе редко полностью выполняют поры.

В глинистых песчаниках в глинистой массе часто присутствуют микрокристаллические кальцит, доломит и сидерит,

в. Кремнеземистый цемент

Песчаники часто в той или иной степени цементируются кремнеземом. Изредка этот цемент представлен аморфным гидратированным кремнеземом — опалом. Такой цемент встречается в более молодых породах, не подвергавшихся высоким давлениям, но иногда он образуется при высоких температурах, какие имеют место в некоторых горячих источниках. Co временем опал дегидратируется с образованием микрокристаллического кварца, называемого халцедоном. Халцедоновый цемент широко распространен в песчаниках разного возраста.

Однако наиболее часто кремнистый цемент представлен оптически ориентированными кварцевыми каемками, нарастающими на обломочные кварцевые зерна. Эти аутигенные сростки дают несколько типов картин распределения цемента. В некоторых песках с высокой первичной пористостью кварцевые сростки образуют прекрасные эвгедральные формы; в крайних случаях на первичном обломочном зерне может вырасти кристалл бипирамидальной формы. На это явление обратил внимание Сорби при изучении пермских песчаников Пенрит в Англии.

Однако более часто вторичный кремнезем обрастает кварцевые обломочные зерна с образованием каемок с единой оптической ориентировкой, причем каемка обычно принимает форму выполняемой поры.

Генезис цемента из вторичного кремнезема изучался широко, так как это наиболее обычный тип цемента, который разрушает пористость песчаников. Особое внимание уделялось нахождению глубины, ниже которой в конкретном осадочном бассейне отсутствует эффективная пористость. Эти данные могут быть использованы для расчета «экономической границы», ниже которой было бы бесполезно искать водные или углеводородные коллекторы.

Кроме того, выяснялись возможные источники кремнезема, физико-химические условия, ведущие к его осаждению, и зависимости между цементацией кремнеземом и растворением под давлением.

Нет сомнения в том, что кремнистые цементы могут осаждаться из растворов, которые получают кремнезем из таких органических остатков, как радиолярии, диатомовые раковины и кремневые спикулы губок. С другой стороны, частично кремнеземсодержащие растворы, вероятно, отжимались из уплотняющихся глин. Было выполнено много опытов по искусственному наращиванию минералов кремнезема. Эти опыты проводились при высоких, а также при нормальных температурах и давлениях.

Изучение зависимости между вторичным кремнеземом, пористостью и глубиной захоронения неизменно связывается с явлением растворения под давлением или с давлением, при котором происходит срастание зерен. Многие шлифы производят впечатление, что кварцевые зерна вдавливаются одно в другое и что по соседству с контактами осаждается вторичный кремнезем. Эти наблюдения навели многих исследователей на мысль о том, что по мере того как песок уплотняется, в местах контакта зерен кремнезем растворяется и сразу же осаждается близ них. Недавно Риттенхауз количественно проанализировал потерю пористости с учетом растворения под давлением, формы зерен и способа их упаковки.

Тейлор показал, как с увеличением глубины погружения возрастает число контактов на одно зерно от одного-двух близ поверхности до пяти и более на большой глубине. Одновременно, как показал Тейлор, с глубиной изменяется и характер этих контактов. На небольших глубинах обычны тангенциальные или точечные контакты, которые с глубиной переходят в протяженные контакты, когда зерна плотно прижаты одно к другому. На еще больших глубинах уже преобладают выпукло-вогнутые и сутурные границы между зернами, и здесь происходило повсеместное растворение под давлением. Эти изменения в количестве и характере контактов зерен сопровождаются постепенным уменьшением пористости (фиг. 34).

Следует соблюдать большую осторожность при выявлении вторичного кремнезема от растворения под давлением. Сиппел показал, что катод-люминесцентное изучение песков выявляет гораздо большее количество вторичного кварца, чем это можно обнаружить в поляризационном микроскопе. Многие пески, которые, как предполагалось, потеряли пористость из-за растворения под давлением, в действительности потеряли ее из-за повсеместной цементации вторичным кварцем.

Эти наблюдения сильно обесценивают модальные анализы состава песчаников и большинство работ по исследованию растворения под давлением и цементации кремнеземом. Эмпирические данные, приведенные на фиг. 16, показывают, до какой степени может уменьшаться пористость песчаников с увеличением глубины залегания либо под влиянием процессов растворения под давлением, либо за счет цементации кремнеземом. Часто отмечалось, что нефть встречается в песчаниках с пористостью аномально высокой для тех глубин, на которых они залегают.

Эпидиагенез: образование вторичной пористости


В то время когда осадок проходит последовательно редоксоморфную, локоморфную и филломорфную стадии, он может быть в любой момент поднят к дневной поверхности и подвергнуться выветриванию. В некоторых случаях выветривание может быть интенсивным и проникать на большую глубину, вызывая значительное увеличение пористости и проницаемости пород. Такой процесс называют «эпидиагенезом», так как он противостоит обычной тенденции диагенеза уменьшить пористость песчаников. Процессы выветривания были рассмотрены ранее. Ниже мы рассмотрим только те стороны выветривания, которые генерируют вторичную пористость.

Сначала в условиях физического выветривания снятие давления вышележащих пород и удаление пород по склонам может генерировать трещинную пористость. В то же самое время различные химические процессы могут генерировать вторичную пористость путем выщелачивания. В песчаниках, сцементированных карбонатом, грунтовые воды, богатые гумусовыми и другими кислотами, будут выщелачивать цемент и выносить растворенные карбонаты. Это может привести к разрыхлению песчаника и образованию такой пористости, какую имел свежевыпавший осадок.

Профили выветривания в современных пустынях могут служить хорошими примерами развития вторичной пористости в песчаниках. К сожалению, из-за древности пород и длительного воздействия агентов дневной поверхности невозможно установить время или характер климата, приведшего к образованию наблюдаемого профиля выветривания. На интенсивно выветрелых бесплодных поверхностях пород в Сахарских каменистых пустынях песчаники обычно покрыты темно-бурой железистой корочкой толщиной несколько миллиметров. Под этой корочкой можно выделить две зоны измененных пород. Верхняя зона имеет повышенную пористость, а нижняя зона — пониженную пористость. Из верхней зоны железо и карбонаты выносятся в растворе; слюды, полевые шпаты и иллитовые глинистые минералы изменяются в каолинит, а общее содержание глинистого вещества уменьшается за счет его выноса. В более пористых песках обломочные кремнеземные зерна могут корродироваться, тогда как менее проницаемые пески могут цементироваться кремнеземом. В этой верхней зоне происходит выщелачивание, и поэтому вторичная пористость возрастает. Мощность этой зоны колеблется от нескольких десятков сантиметров до нескольких сот метров. Во второй нижней зоне пористость уменьшается из-за осаждения минералов из растворов, просачивающихся из верхней зоны. Кремнезем здесь — преобладающим цементирующий материал. Часто в современных профилях выветривания цемент представлен опаловым водосодержащим кремнеземом, тогда как при старении он переходит в халцедон, который встречается в древних профилях. В этой зоне также может осаждаться железо, особенно в виде железистых корочек на контактах между проницаемыми песками и непроницаемыми глинистыми сланцами. Суммарное воздействие всех этих процессов приводит к уменьшению пористости и проницаемости пород в этой зоне.

Рассмотренные здесь особенности строения зон, заимствованные в основном из детального петрографического исследования Xи, схематически изображены на фиг. 35.

Значение процессов эпидиагенеза имеет важное значение для поисков пористых песчаных залежей, таких как водные и углеводородные коллекторы. Каждый современный профиль выветривания, по существу, фиксирует потенциальную поверхность несогласия, а вследствие проявления процессов эпидиагенеза петрографические данные, полученные при изучении пород в обнажении, не могут характеризовать формацию в целом.

Многие песчаники, пористость и проницаемость которых обычно слишком малы для того, чтобы их можно было рассматривать как коллекторы, могут оказаться более перспективными в тех районах, где они претерпели эпидиагенетические изменения и в настоящее время срезаются поверхностью несогласия. Таким образом, эпидиагенез — один из многих факторов, которые преобразуют зоны несогласия в благоприятные места накопления нефти.





Яндекс.Метрика