Известняк и доломит, два распространенных вида карбонатных пород, образуются за счет многочисленных осадочных отложений, таких, как известковые илы, осадившиеся неорганическим путем, обломки раковин, делювий, известковый песок, рифы, остатки мелких планктонных организмов (рис. 8.2). Начальная пористость и водопроницаемость большинства этих отложений после погребения довольно быстро изменились, так что первоначальная структура осадочных пород даже позднекайнозойского возраста сохранилась плохо. Наоборот, если осадочные породы с самого начала образовались как сравнительно водонепроницаемые и плотные, а затем и не деформировались, их структура остается неизменной практически неопределенное время. Некоторые более значительные изменения осадочных пород вызываются уплотнением пород, растворением арагонита и кальцита, переотложением известкового цемента и образованием доломита.
Начальная пористость сравнительно высока у многих известняков более молодого возраста. Но их водопроницаелюсть в общем низка, за исключением таких пород, как брекчии и ракушечник, в которых крупные поры не были заполнены цементом. Водопроницаемость может изменяться от менее 1 мдарси для глинистых плотных известняков до нескольких тысяч дарси для частично сцементированных крупнообломочных брекчий (рис. 8.3). Промежуточные значения водопроницаемости от 10 до 500 мдарси наиболее характерны для известняков с начальной пористостью. Плотный кристаллический известняк обычно имеет водопроницаемость менее 1 мдарси (табл. 8.1).
Хотя некоторое первоначальное поровое пространство может сохраниться в древних известняках, с точки зрения получения воды более важными оказываются другие формы пористости. Наибольшее количество воды в осадочных породах пропускают трещины разлома и пустоты вторичного растворения (карстовые пустоты) вдоль поверхностей напластования и зон первоначальной пористости. Значительное поровое пространство также создается в результате постгенетического превращения кальцита в доломит. Если это диагенетическое изменение произойдет после процесса литификации пород, то 13% объема пород, сокращение которого вызвано превращением кальцита в доломит, останется в виде свободного пространства. Однако кристаллы доломита настолько малы, что водопроницаемость этой породы обычно не превышает 300 мдарси, если поры не увеличились под действием вторичного растворения.
Рис. 8.2. Шлифы карбонатных пород различных типов.
Рисунки выполнены с многочисленных микрофотографий, взятых из различных литературных источников, увеличение примерно десятикратное, а — ракушечник с незначительным содержанием известкового цемента, большие сообщающиеся поры делают эту породу превосходным водоносным горизонтом; б— известняк с локальной высокой пористостью за счет водорослевых включений, имеющих форму листообразных скоилепий; поры, не заполненные окаменевшим карбонатным илом, плохо сообщаются между собой, что препятствует быстрой миграции воды; в — доломит средней пористости вторичного происхождения, крупные поры образовались в результате растворения органических остатков, отсутствие крупных сообщающихся пор делает эту породу очень плохим водоносным горизонтом; г — плотный известняк, образовавшийся из известкового песка, сильно сцементированный, с порами, заполненными кристаллическим кальцитом; поступление воды к скважинам возможно только по пустотам растворения и трещинам.
Рис. 8.3. Частично сцементированная известковая брекчия с озера Пирамид, штат Невада.
Темные пятна — крупные поры, не заполненные полностью известковым цементом, который на рисунке имеет светлую окраску.
Значения типичной пористости и водопроницаемости известняка и доломита представлены в табл. 8.1. Многочисленные определения пористости и проницаемости нефтеносных горизонтов дают величины такого же порядка. Например, работы в районе плато Колорадо показали, что карбонатные породы палеозойского возраста, первичная пористость которых обусловлена скоплением пластинок водорослей, имеют в среднем водопроницаемость 24 мдарси и пористость 9,5%. Было найдено, что известняк, пористость которого вызвана растворением оолитов, имеет среднюю водопроницаемость 3,4 мдарси и пористость 11,3%; известняк, бывший ракушечник, имеет среднюю водопроницаемость 5,1 мдарси и среднюю пористость 6,3%; водопроницаемость доломитов составляет в среднем 3,0 мдарси, а пористость — 13%. Наивысшая водопроницаемость среди всех изученных пород оказалась равной 1165 мдарси, а наивысшая пористость — 32,4%.
Простой расчет по гидравлике скважин на воду показывает, что водопроницаемость большинства древних карбонатных пород недостаточна для обеспечения притока даже нескольких галлонов воды в минуту к неглубоким скважинам. На первый взгляд это может показаться странным, поскольку карбонатные породы с проницаемостью 20—100 мдарси способны дать в нефтяные скважины большие количества нефти. Это очевидное несоответствие объяснимо, если учесть две важные диаметрально противоположные особенности добычи нефти и воды. Во-первых, нефтяные скважины обычно гораздо глубже скважин на воду, поэтому вблизи нефтяных скважин образуются более высокие градиенты. Во-вторых, производительность скважин на нефть и воду совершенно различна. Нефтяные скважины производительностью от 2 до 20 галл/мин считаются высокопродуктивными на большинстве нефтяных промыслов. Скважины, дающие воду для промышленности, коммунального водоснабжения и орошения, вероятнее всего будут считаться непроизводительными, если их дебит не достигнет по крайней мере 50 гагл/мин.
На основании данных о водопроницаемости палеозойских и некоторых более молодых карбонатных пород можно сделать важный вывод, что необходимо вести поиски зон вторичной пористости, происхождение которых связано с трещиноватостью и растворением. Зоны первичной пористости, проницаемость пород которых представляет интерес для нефтяной промышленности, не образуют хороших водоносных горизонтов. Но первичная пористость горных пород в целом имеет большое гидрогеологическое значение, так как создает емкость для накопления подземных вод, которые медленно подпитывают более проницаемые зоны. Следует, однако, отметить, что величины пористости, полученные в лаборатории, могут не соответствовать истинным ее значениям. Так, было обнаружено, что карбонатные породы в штате Кентукки, относящиеся к более или менее типичным палеозойским породам, имеют удельную водоотдачу всего лишь 0,18—0,87%, тогда как эта величина, рассчитанная на основании опубликованных данных о пористости, должна быть значительно больше.
Карбонатные породы с обширными каналами растворения или трещинами разлома, первоначально формировавшимися в одном направлении, имеют среднюю водопроницаемость, которая строго анизотропна. Следовательно, направление движения подземных вод нельзя предсказать, начертив только линии, ортогональные к изолиниям уровня подземных вод. Арноу предположил, что подземные воды в районе выхода на поверхность известняков Эдуардс вблизи Сан-Антонио, штат Техас, движутся почти параллельно гидроизогипсам. Поскольку эти известняки отличаются высокой каверноз-ностью, такое предположение кажется весьма обоснованным. На рис. 8.4 показан случай менее резко выраженной анизотропии для двумерного потока подземных вод, когда падение напора во всех водопроводящих каналах прямо пропорционально длине канала.
Все осадочные породы имеют некоторую слоистость, вызывающую анизотропию в вертикальном направлении по сравнению с горизонтальным.
Рис. 8.4. Схема движения двумерного потока подземных вод по трещинам.
Показано истинное направление потока подземных вод и направление, полученное путем проведения линий, перпендикулярных к региональным гидроизогипсам.
Многочисленные измерения водопроницаемости кернов песчаника, отобранных в штате Иллинойс, показывают, что медианное отношение горизонтальной водопроницаемости к вертикальной составляет 1,5; около 12% определений дали величину более 3,0. Вертикальная водопроницаемость немногим менее 6% изученных пород оказалась выше горизонтальной и, следовательно, отношение горизонтальной водопроницаемости к вертикальной составило менее 1,0.
(практическое занятие)
Карбонатными называют породы, состоящие более, чем на 50% из карбонатных минералов. Важное породообразующее значение среди карбонатных минералов имеют кальцит (CaCO3), доломит (Ca, Mg (CO3)2) и сидерит (Fe CO3) и меньшее магнезит (MgCO3). В конкрециях формируются минералы с различными соотношениями Mg 2+ и Fe 2+ в ряду сидерит-магнезит, а также минерал сложного состава - анкерит, принадлежащий группе доломита и содержащий, кроме Са 2+ и Mg 2+ , также Fe 2+ и Мn 2+ . В скелетах многих современных организмов содержится также арагонит - минерал того же состава, что и кальцит, но принадлежащий иной кристаллической сингонии, образующий игольчатые агрегаты.
Основные породообразующие карбонатные минералы легко отличаются от других минералов осадочных пород: большой разницей показателей преломления, в результате чего возникает псевдоабсорбция - потемнение и просветление минералов в проходящем свете при вращении столика микроскопа; очень высоким двупреломлением с перламутровыми или золотистыми цветами интерференции, нередко кристаллическим, часто микрозернистым строением. Между собой карбонатные минералы трудноразличимы, их уверенная диагностика под микроскопом затруднена, поэтому для их определения используют комплекс методов исследований.
1.Классификация основных типов карбонатных пород.
Согласно Г.Л. Крашенинникову и др. (МГУ, 1988), с уточнениями, карбонатные породы по структурно-генетическим особенностям разделяются на 4 основные группы.
1. Органогенные карбонатные породы . Среди них выделяются подгруппы:
- биогермных известняков и доломитов - водорослевых и строматолитовых известняков и доломитов, коралловых, мшанковых, мшанково-водорослевых и др.;
-цельнораковинных карбонатных пород (ракушечников) - брахиоподовых, двустворковых, остракодовых, фораминифировых, кокколитовых и др.;
-детритовых карбонатных пород - брахиоподовых, мшанковых, криноидных,фузулиновых, нуммулитовых,полидетритовых, пеллетовых и других, сложенных обломочным материалом окаменевших организмов.
Кратко по классификационной терминологии организмов органогенных карбонатных пород.
Водоросли - древнейшие представители растительного мира. Это низшие споровые автотрофные растения, синтезирующие из минеральных соединений за счет энергии некоторых химических реакций, необходимые для жизни органические вещества. Они содержат в своем составе хлорофилл и живут преимущественно в воде. Насчитывается около 40000 видов, объединенных в отделы: Зеленые, Золотистые, Диатомовые, Бурые, Красные и др.
Наиболее древние из водорослей - сине-зеленые. Их ископаемые остатки и продукты жизнедеятельности обнаружены в породах, образовавшихся 3–3,5 млрд. лет назад, в архейскую эру. Полагают, что первые на Земле (докембрийские) экосистемы состояли только из прокариотических организмов , в том числе цианобактерий(сине-зеленых водорослей). Интенсивное развитие цианофит имело громадное значение для развития жизни на Земле, и не только из-за накопления ими органического вещества, но и в связи с обогащением первичной атмосферы кислородом. Существенную роль cинезелёные водоросли сыграли и в создании известковых пород
Прокариотические клетки - это наиболее примитивные, очень просто устроенные, сохраняющие черты глубокой древности организмы. К прокариотическим (или доядерным) организмам относят бактерии и синезеленые водоросли (цианобактерии). Большинство живых организмов в том числе более высокого уровня развития водорослей, объединено в надцарство эукариот , включающих царство растений, грибов и животных. Эукариотические клетки крупнее (примерно в 1 тысячу раз) прокариотических клеток , состоят из поверхностного аппарата, ядра и цитоплазмы.
Образователями строматолитов являются цианобактерии и другие виды бактерий; в постройке некоторых из них принимают участие и эукариотические водоросли .Строматолиты формируются в опреснённых или засолонённых зонах или в зонах с периодической сменой пресной и солёной воды.
Как объекты палеонтологии, строматолиты были выделены благодаря устойчивости и повторяемости их морфологических признаков. Известны с протерозоя, особенно обильны от докембрия до ордовика. Строматолиты широко используются при расчленении и корреляции (в том числе межконтинентальной) верхнепротерозойских образований. В ископаемом состоянии чаще всего встречаются постройки, сформированные в зоне накопления относительно мелководных морских отложений существенно карбонатного состава, причем большая часть таких построек несомненно испытывала влияние приливно-отливных течений.
Кораллы этоклассморскихбеспозвоночных. Они неподвижны и по виду напоминают ветви растений. Однако все же это не растения: каждая ветвь коралла - это скопление мельчайших животных, коралловых полипов. Такие скопления называются колониями. Каждый полип образует вокруг себя защитную известковую оболочку. Когда рождается новый полип, он прикрепляется к предыдущему и начинает строить новую оболочку - так коралл «растет». «Рост» коралла составляет около 1 см в год в благоприятных условиях. Большие скопления кораллов образуют так называемые коралловые рифы. Поэтому на формирование среднего рифа могут уйти столетия, острова - тысячелетия. Коралловые полипы обитают в тёплых тропических морях, где температура воды не ниже 20 °C, и на глубинах не более 20 метров,
Кокколитофориды (от др.-греч. κόκκος - зернышко, λίθος - камень, φορέω - ношу) - группа одноклеточных планктонных гаптофитовых водорослей, образующих на поверхности известковые пластинки - кокколиты. Кокколитофориды составляют существенную (до 98 %) часть нанопланктона, а их известковые скелеты, входящие в состав донных отложений, часто используются для определения возраста горных пород. Играют важную роль в биогеохимии океана, вызывают цветения вод в полярных широтах (особенно в Баренцевом море) и в Черном море. Кокколитофоры являются одними из основных известняк-продуцирующих организмов в Мировом океане, наряду с фораминиферами. Эти водоросли участвуют в обмене углерода между океаном и атмосферой, и являются важным звеном поглощения неорганического углерода из атмосферы
Брахиоподы. Раковины брахиопод – неотъемлемый компонент морской палеофауны палеозоя.Большая их часть постоянно прикреплена мясистым отростком (ножкой) к твердой поверхности морского дна, где наблюдаются выходы горных пород, валунов или других раковин. Брахиоподы - не моллюски, хотя имеют двустворчатую раковину, а самостоятельный тип морских раковинных животных (Brachiopoda). По мнению многих палеонтологов, они родственны мшанками, хотя на первый взгляд между ними мало общего. Как правило, брахиоподы прикрепляются ко дну толстой мускулистой ножкой. Фильтраторы по типу питания. Размер раковин брахиопод редко превышает 7-10 сантиметров, хотя у некоторых видов раковины достигают 20-30 сантиметров в ширину. Брахиоподы существуют с начала палеозоя, они возникли в раннем кембрии, а может быть и раньше. Они были очень широко распространены в девоне и карбоне (каменноугольном периоде), в настоящее время представлены на Земле только 200 видами. Кое где брахиоподы и сейчас образуют огромные скопления, просто теперь экологические ниши, которые брахиоподы занимали в палеозое и в начале мезозоя, заняты двустворчатыми моллюсками, а брахиоподы оттеснены на глубины и в холодные воды. Мшанки – колониальные животные, известные с ордовика и до сих пор, существующие в водах различной солености. Колонии мшанок состоят из крошечных существ – зооидов, каждый из которых заключён в известковую, хитиноидную или студенистую ячейку Водные, преимущественно морские, сидячие колониальные животные. Размеры отдельных особей не превышают 1-3 мм, при этом стелющиеся колонии мшанок могут занимать площадь более 1 м². Колонии имеют множество форм: одни обрастают доступные поверхности (камни, раковины, водоросли) в виде корочек и комков; другие имеют вееровидный, древовидный или кустикообразный вид. Как следует из названия, колонии некоторых мшанок внешне похожи на моховой покров; другие можно спутать с гидроидными и коралловыми полипами или водорослями.
Остракоды
(остракодовые рачки).
Остракоды - обширный
(около 70 ООО
видов) класс микроскопических ракообразных,
тело которых заключено в двустворчатую
известковую раковину. Они прекрасно
сохраняются в ископаемом состоянии
(известны, начиная с кембрия), а ныне
населяют все возможные водные биотопы,
от океанической ультраабиссали
до подземных вод и влажных наземных
местообитаний
(даже на деревьях), образуя в каждом из
них специфические комплексы видов.
Традиционно остракоды широко используются
в геологии в качестве руководящих
ископаемых, преимущественно при поисках
нефти и газа, поскольку зарекомендовали
себя как прекрасные индикаторы в био-
и экостра-тиграфии, палеоэкологии,
палеобатиметрии, палеоокеанологии,
палеогеографии, палеоклиматологии
Фораминиферы
бывают
как бентосными,
так и планктонными.
Раковины
фораминифер являются наиболее
распространённым компонентом биогенных
отложений (фораминиферовый
ил
)
океанов.
Ископаемые фораминиферы служат для
определения возраста палеозойских,
мезозойских
и кайнозойских
отложений. Большинство раковин
известковые,
иногда образуют хитиноидные
или состоящие из посторонних частиц,
склеенных выделениями клетки.Фораминиферы -
одиночные преимущественно морские
протисты; некоторые формы обитают в
солоноватых и пресных водоемах;
встречаются формы, обитающие на большой
глубине в рыхлом жидком илу (до 16 м
от поверхности дна). К примеру, фораминиферы
были обнаружены на дне Марианской
впадины
на глубине более 10 тысяч метров ,"es":["M-sYraKp8Fg"],"fr":["cK0F9miqR4Q","cK0F9miqR4Q","cK0F9miqR4Q"]}
