Скважность (пустотность) горных пород

Свободное пространство в минеральном скелете, представлен­ное пустотами различной формы, размера и генезиса, называется скважностью (пустотностью) горных пород и численно может быть охарактеризовано объемным коэффициентом скважности (общая или абсолютная скважность)

я_с=-^100%, (3.1)

э

где V_n — общий объем всех пустот, содержащихся в данном эле­менте горной породы; V₃ — объем элемента.

В зависимости от генезиса горных пород, а также размеров, количества пустот и других факторов, пустоты в минеральном скелете могут быть сообщающимися между собой (открытыми) или изолированными (закрытыми). Поскольку движение подземных вод возможно только по системе связанных (открытых) пустот, так как закрытые пустоты заполнены воздухом, газом или иммо­билизованной (вакуольной) водой, наряду с общим (абсолютным) значением скважности существует понятие коэффициента откры­той скважности (пустотности), который определяется как отно­шение общего объема открытых (связанных между собой) пустот к объему всей породы (образца) — п₀.

Так как практически во всех случаях определенная часть объема открытых пустот в минеральном скелете горных пород занята раз­личными видами связанной воды, защемленным воздухом или газом и не является “открытой” для движения свободной (грави­тационной) воды, наряду с понятиями “общей” и “открытой” скважности в гидрогеологии широко используется понятие актив­ной (динамической) скважности горных пород (п_а), определяемой как отношение объема открытых пустот, по которым происходит (может происходить) движение гравитационной воды, к объему всей породы (образца).

В общем случае величины общей, открытой и активной скваж­ности определяются соотношением

п_с>п₀>п_Й, (3.2)

при этом соотношение значений открытой и активной скважнос­ти горных пород определяется главным образом преобладающи­ми размерами пустот. В зависимости от диаметра (D) пустот или их ширины (L) для пустот, имеющих линейную форму, обычно различают три вида скважности (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Виды скважности (пустотности) горных пород в зависимости от размеров

(Справочное руководство, 1979)

Очевидно, что в породах со сверхкапиллярной скважностью в пустотах крупных размеров (табл. 3.1) часть свободного про­странства, занятая всеми видами связанной воды, относительно

ничтожна в сравнении с общим объемом пустот (п_а~ я_о); в ка­пиллярных пустотах в зависимости от их размеров роль связанной воды, в том числе капиллярно-связанной (капиллярно-разобщен­ная вода), может быть весьма существенной (п_а<п₀)\ в породах с субкапиллярной скважностью в предельном случае все сечение пустот минерального скелета может быть занято связанной водой (я, = 0).

Основными морфометрическими видами скважности горных пород, которые определяются генезисом породы и условиями ее эпигенетического преобразования, являются пористость, трещи­новатость и кавернозность. В соответствии с преобладанием того или иного вида скважности (типа пустот) все горные породы зем­ной коры подразделяются на породы (среды) пористые (поровые), трещинные, каверновые и среды более сложных переходных типов с наличием двух или более морфометрических типов скважности (порово-трещинные, трещинно-каверновые и др.).

В современной гидрогеологической литературе скважность горных пород чаше называют общим понятием пористость (общая пористость, открытая, коэф­фициент пористости и т.д.). Исторически это связано, вероятно, с ошибочным переводом понятия “пустотность" в работе О. Мейниера (1935) и является не­верным, так как в этом случае название только одного морфометрического вида пустот используется в качестве обобщающего понятия. Кроме того, с этим связа­но использование ряда неверных по смыслу терминов и понятий "трещинная пористость'’ (?!), "среда с двойной пористостью" и т.д.

Пористыми горными породами (в гидрогеологии чаще исполь­зуется понятие “пористые среды”, или “среды порового типа”) называются породы, у которых свободное пространство представ­лено различными по размерам (условно менее 1,0 мм) пустотами изометрической формы.

Генетически пористость горных пород может быть представле­на пустотами существенно различного типа: межзерновая порис­тость осадочных рыхлых и слабосцементированных пород, свя­занная с неплотной упаковкой зерен (частиц) минерального ске­лета; пористость, образующаяся при остывании и связанном с этим уменьшении объема магматических горных пород, а также пористость, связанная с процессами эпигенетического изменения горных пород (перекристаллизация, выщелачивание растворимых зерен минерального скелета, разуплотнение при уменьшении дав­ления и др.).

Характерные значения общей пористости различных типов горных пород приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Значения коэффициента пористости горных пород

(Справочное руководство, 1979)

В качестве типичных поровых сред обычно рассматриваются только обломочные (кластические) горные породы, пористость улттрътх, как Ъыло ■указано выше, определяется наличием пустот (пор) между зернами минерального скелета, имеющими различную форму и размеры (гранулярные среды).

Общая пористость (коэффициент общей пористости) обло­мочных пород определяется главным образом формой частиц, степенью их уплотнения и отсортированностью и теоретически для пород, сложенных однородными по размеру частицами пра­вильной формы, не зависит от размера частиц.

Так, для однородных частиц шаровидной формы при их не­плотной упаковке (рис. 3.1) коэффициент общей пористости, оп­ределяемый из соотношения

( д³)

,3 и d - л —

100 = 47,7%, (3.3)

где d — диаметр частицы (см. рис. 3.1), не зависит от диаметра самих частиц.

100 =

Поскольку реальные обломочные породы могут состоять из частиц резко различной формы и размера, коэффициент общей пористости таких пород изменяется в общем случае в широких пределах даже вне зависимости от степени уплотнения осадка (см. табл. 3.2).

Рис. 3.1. Кубическое (/) и ромбовидное (2) рас­положение частиц грун­та шаровидной формы (по Р. де У папу)

Максимальные значения общей пористости (50% и более) ха­рактерны для горных пород, сложенных минеральными частица­ми неправильной или “чешуйчатой” формы при их относительно неплотной упаковке. Минимальные значения (до 10% и менее) — для пород, сложенных минеральными частицами существенно различных размеров (неоднородный по крупности обломочный материал), или для тех случаев, когда свободное пространство между зернами скелета частично заполнено минеральным вещест­вом (цементом) (рис. 3.2).

Основными процессами, определяющими уменьшение общей пористости обломочных пород, являются уплотнение и цементация порового пространства.

Снижение обшей пористости обломочных пород при уплотнении определяет­ся не только величиной уплотняющего давления и временем его воздействия. В решающей степени интенсивность этого процесса определяется также формой и размерами зерен, их минеральным составом и структурой порового простран­ства породы (рис. 3.2. 3.3).

Цементация свободного пространства между зернами мине­рального скелета (образование глинистого, карбонатного и других видов цемента) во всех случаях приводит к относительному уменьшению пористости обломочных пород, в предельном слу­чае до ее полного исчезновения (см. рис. 3.2).

8

Рис. 3.2. Характер и виды пористости горных пород: / — хорошо отсортированные осадки с высокой пористостью: 2 — плохо отсортированные с малой пористостью: 3 — осадки, пористость которых уменьшена в связи с частичной цементацией свободного пространства; 4 — высокопористые осадки, сложенные частицами че­шуйчатой или листовидной формы; 5 — то же при уплотнении с резко уменьшен­ной пористостью; 6 — слабопористые осадки с базальным типом цемента; 7— по­роды с пустотностью, определяемой процессами выщелачивания (кавернозностью); 3 — породы с пустотностью. связанной с наличием трещиноватости (по О. Мейн-

церу. 1933, с изменениями)

О 1000 2000 3000 4000 5000 h, м

Рис. 3.3. Необратимое уменьшение коэффициента пористости осадочных пород с Шубиной (по В.М. Добрынину, 1970): / — теоретические кривые; 2 — третичные глинистые породы Северо-Восточного Предкавказья; 3 — песчаники; 4 — извест­няки; 5 — мергели; |3_П — коэффициент необратимого уплотнения

При анализе графика гранулометрического состава неоднород­ных обломочных пород в качестве так называемого эффективного диаметра зерен, определяющего по существующим представлениям величину эффективной пористости таких пород, обычно рассмат­ривается диаметр частиц, составляющих 10% общего веса образ­ца. В связи с этим в ряде случаев даже крупнообломочные поро­ды (галечники, грубозернистые пески и др.) при содержании мелких фракций (пылеватые и глинистые частицы) до 20—25% от общего веса минерального скелета породы, характеризуются низки­ми значениями коэффициента активной пористости, типичными для тонкодисперсных пород.

В качестве сред трещинного типа рассматриваются литифици- рованные осадочные (при отсутствии первичной седиментогенной пористости), метаморфические и магматические горные породы, скважность (пустотность) которых определяется главным образом наличием трещиноватости.

Основными генетическими типами трещиноватости, определяю­щими трещинную скважность указанных типов горных пород, являются: экзогенная трещиноватость, формирующаяся в верхней части геологического разреза в результате процессов выветрива­ния и разуплотнения горных пород при уменьшении нагрузки от вышележащих слоев (эрозия); тектоническая трещиноватость, в том числе общая (планетарная) тектоническая трещиноватость, трещиноватость, формирующаяся в зонах тектонических нарушений (приразломная), а также в связи с процессами складкообразования (складчатая или соскладчатая трещиноватость); диагенетическая трещиноватость, образующаяся в процессе литификации (цемен­тация, уплотнение) осадочных горных пород; сингенетическая тре­щиноватость (отдельность), формирующаяся при остывании и уменьшении объема магматических горных пород.

Количественно трещинная скважность горных пород характе­ризуется теми же показателями: общая пустотность, открытая, ак­тивная. Однако в связи с морфоструктурой пустот (значительная линейная протяженность трещин, пересечение различных систем трещин и др.) для трещинных сред, как правило, не характерны существенные различия между значениями общей и открытой скважности.

Значения коэффициента общей пустотности трещинных сред определяются не столько наличием одной или нескольких систем трещин, количеством трещин на единицу площади или объема горной породы, сколько шириной открытых трещинных каналов (раскрытием трещин). Ширина раскрытия трещин определяет также соотношение между общей и активной скважностью тре­щинных сред (см. табл. 3.1). В соответствии с этим при увеличении пластовых давлений (сжатие, закрытие трещин) происходит, как правило, определенное уменьшение скважности трещинных сред и, наоборот, при уменьшении давления (разуплотнение, раскрытие трещин) возможно существенное увеличение их общей и активной скважности (пустотности).

Помимо уплотнения (сжатия, смыкания трещин) уменьшение скважности трещинных сред связано главным образом с развитием процессов кольматании и цементации трещин.

Кавернами называются крупные (диаметром более 5 мм) изо­метрические пустоты, формирующиеся в минеральном скелете горных пород главным образом в результате выщелачивания легко­растворимых соединений, минеральных включений, зерен (извест­няки, гипсы и др.). В определенной мере формирование отдельных крупных пустот типа каверн может быть связано с уменьшением объема магматических горных пород при остывании, а также с механическим разрушением стенок трещин (узлы пересечения трещин). Наличие каверн в значительной степени увеличивает общую (открытую, активную) скважность горных пород, однако они практически никогда не являются единственным морфомет­рическим типом пустот, в связи с чем для большинства каверноз­ных пород характерны, как правило, сложные типы скважности (порово-каверновая, трешинно-каверновая).