Vii. геофизические методы в стратиграфии
Важнейшим способом получения геологического материала по закрытым территориям является бурение скважин. Непосредственное заключение о характере разреза делается по керну скважины или (в меньшей степени) шламу (обломков пород разреза, вынесенных с буровым раствором). Однако подъем керна возможен не из всех разновидностей пород, бурение с керном является очень медленной и дорогой процедурой. Поэтому получение представлений об особенностях разреза, пройденного скважиной, основывается на интерпретации геофизических показателей различных свойств горных пород, вскрытых скважиной. Геофизический каротаж – это измерение специальным зондом значений физических свойств пород, слагающих стенки скважины. Различают виды каротажа: электрический, радиоактивный, механический (кавернометрия), акустический, индукционный, термический, нейтронный и др.
Геофизические исследования скважин
Электрокаротаж Это наиболее распространенный метод геофизического исследования скважин. Заключается он в непрерывном измерении по необсаженному стволу скважины естественных (спонтанных) потенциалов (синоним — потенциалы собственной (спонтанной) поляризации), возникающих при взаимодействии промывочной жидкости и пластовых вод. Общепринятая аббревиатура для кривой получаемых значений — кривая ПС. Одновременно измеряется кажущееся удельное сопротивление горных пород, обусловленное удельным сопротивлением поровых вод и сопротивлением самой породы. Общепринятая аббревиатура — кривая КС. Измерение ПС производится двухэлектродной установкой, один электрод которой остается на поверхности, а второй опускается в скважину. Измерение КС выполняется четырехэлектродной системой, три электрода которой образуют каротажный зонд, опускаемый в скважину, а четвертый устанавливается на поверхности вблизи ее устья. Различия в физических свойствах горных пород (проницаемость, абсорбция, диффузия и др.) делают возможным диагностировать основные типы терригенных, глинистых и карбонатных отложений по кривым ПС и КС (рис. 7.1, 7.2). В частности, максимальные значения на кривой ПС имеют глины. Пески и песчаники, а также пористые и трещиноватые карбонаты (из-за более легкой диффузии глинистого раствора и небольшой абсорбционной активности), выделяют на кривой ПС минимумами значений. Причем эти минимумы выражены тем отчетливее, чем меньше глинистого материала содержат песчаные или карбонатные пласты. Напротив, кажущиеся сопротивления (кривая КС), прямо пропорциональные проницаемости пород, имеют максимальные значения у хорошо проницаемых пород — песков и песчаников, причем если в песчаных пластах вода замещается нефтью, то кажущееся сопротивление растет еще больше. Карбонатные породы также характеризуются максимумами на кривой КС, но их сопротивления могут резко меняться, так как трещиноватые зоны приводят к снижению значений. Значения КС горных пород зависят от степени минерализации пластовых вод. Они значительно понижаются, если пласты содержат воды с высокой минерализацией. Вследствие этого сопротивления глин могут в отдельных случаях значительно превышать сопротивления песков с минерализованной водой (Итенберг, 1972). «…Метод основан на измерении интенсивности естественного радиоактивного излучения осадочных пород (гамма-каротаж) или на изучении взаимодействия источников радиоактивного излучения и горной породы (нейтронный каротаж). Наибольшее значение при интерпретации геологических разрезов получил гамма-каротаж (ГК), применяемый как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах. Гамма-каротаж сводится к измерению интенсивности гамма-излучения горных пород за счет содержащихся в них тория, урана и радиоактивного изотопа калия 40К. По значениям естественной радиоактивности осадочные породы делятся на три группы: а) высокой радиоактивности; к ним относятся битуминозные глины, аргиллиты и глинистые сланцы, калийные соли, а также современные глубоководные осадки — глобигериновые и радиоляриевые илы;
б) средней радиоактивности — глины (морские и пресноводные), глинистые песчаники и известняки, мергели, глинистые доломиты; в) низкой радиоактивности — ангидриты, гипсы, доломиты, известняки, песчаники, иногда каменные угли.
Радиоактивный каротаж
Наличие глинистого материала ведет к увеличению радиоактивности горных пород в связи с высокой адсорбционной способностью глин. Положительные аномалии ГК могут отмечаться и при проходке монацитовых и других обогащенных радиоактивными минералами песков. Несмотря на то, что в общем виде интенсивность гамма-излучения пород пропорциональна содержанию в них радиоактивных минералов, она зависит и от плотности самой породы, так как с увеличением плотности возрастает поглощение гамма-излучения породой и соответственно уменьшается поток, измеряемый зондом. Наконец, на интенсивность гамма-излучения оказывает влияние радиоактивность пластовых вод. В частности, повышенной радиоактивностью характеризуются высокоминерализованные хлоридно-кальциевые воды. Остальные виды гамма-каротажа применяются главным образом для решения специальных вопросов нефтяной геологии — определения местоположения пористых пластов и трещиноватых зон, зон нефтегазонасыщения и т. п. Этим же целям служат в основном акустический каротаж, термокаротаж и кавернометрия…
Использование каротажа для расчленения и корреляции разрезов скважин
Каротажные методы дают исключительно полные сведения о разрезе скважин. Непрерывность измерения различных физических показателей — основное преимущество этих методов. Отбор керна — всегда неполный, поэтому керн характеризует лишь отдельные интервалы пройденного разреза, каротажные диаграммы показывают строение разреза в целом…. …Каротажные методы изучения скважин в общем виде дают возможность судить лишь о порядке чередования в разрезе различных типов пород и о мощности отдельных пластов и пачек. Поэтому использование каротажа для целей стратиграфии в принципе аналогично литологическим методам расчленения и корреляции разрезов. При этом, однако, следует учитывать, что при каротажных сопоставлениях разрезов, без использования каменного материала, геологи не имеют возможности судить о таких существенных параметрах, как цвет, текстура и минеральный состав породы. Поэтому совершенно очевидно, что сопоставление по каротажу необходимо увязывать с данными по изучению керна и что эти сопоставления будут тем достовернее, чем теснее такая увязка. Каменный материал из скважин необходим и для правильной интерпретации самих каротажных диаграмм. Известно, что наиболее достоверные данные каротаж дает при бурении скважины в песчано-глинистых слабо уплотненных породах. При уплотнении горных пород их электрокаротажные характеристики становятся менее индивидуализированными, и, в частности, аргиллиты, крепкие мелкозернистые алевролиты и глинистые карбонатные породы представлены на диаграммах сходными кривыми. В малопористых сцементированных породах отличия электрокаротажных характеристик алевролитов, песчаников и карбонатов еще более стираются. В карбонатном разрезе геофизические исследования скважин дают возможность выделять лишь глинистые разности… …Ограниченность отдельных методов каротажа может быть преодолена их комплексированием (использованием комплекса методов), но в общем случае необходима корректировка каротажа данными по керну, по боковым пробам и шламу. Представляется необходимым в пределах каждой площади бурить скважину с достаточно полным отбором керна, а также отбирать его из ряда других скважин не только для суждения о коллекторских свойствах продуктивных пластов, но и для определения степени их выдержанности по комплексу литологических и палеонтологических данных. В этом случае каротаж действительно позволит составить полное представление о геологическом строении месторождения, даст возможность установить все взаимоотношения пород в пределах изучаемой структуры (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Сопоставление скважин нефтегазового месторождения по электрокаротажу. Слева – кривые ПС, справа – кривые КС. 1 – газ, нефть, вода; 2 – маргинулиновый песок (по Данбар, Роджерс, 1962) (Рис. 5.23 из Степанов, Месежников, 1979, с. 127).
Важно отметить, что каротаж является формальной регистрацией физических характеристик пород. В пределах ограниченного района (обычно такой район отвечает одной нефтеносной структуре), для которого известен сводный разрез, плотность пород, минерализация подземных вод и т. п. эти характеристики, будут с большой долей вероятности связаны с определенными литологическими разностями. Но на соседних площадях с иным (даже в деталях) строением разреза, другой плотностью пород и минерализацией пластовых вод, эта связь исчезнет. Поэтому детальные каротажные сопоставления, оправдывающие себя при корреляции близко расположенных скважин, оказываются мало корректными при региональных построениях. Поскольку отдельные пласты и пачки не имеют индивидуальной каротажной характеристики, а выделяются лишь по контрасту с выше- и нижележащими отложениями, их далекое прослеживание неизбежно может проводиться лишь способом отсчета от какого-либо регионального репера. Естественно, что выклинивание какого-либо пласта может привести к ошибочным или неоднозначным и, следовательно, недостоверным сопоставлениям… …Однако результаты геофизического исследования скважин иногда могут применяться и для региональных стратиграфических корреляций, в частности для прослеживания границ выдержанных литологических тел. Так, например, в западной части Западной Сибири региональным распространением пользуются глины кузнецовской свиты (турон-коньяк). Эта маломощная (до 40—50 м) морская глинистая толща перекрывает солоноватоводные образования уватской свиты. Вследствие резкой разницы в литологическом составе подошва кузнецовской свиты очень четко устанавливается на каротажных диаграммах, главным образом по кривой ПС (рис. 7.4). Этот репер прослежен более чем на 1000 км. Проводя подобные сопоставления, следует учитывать, что речь идет только об идентификации литологической границы и что эта граница совершенно необязательно должна быть изохронной. В частности в данном случае, результаты исследований комплексов фораминифер показали, что кузнецовская свита перекрывает уватскую с размывом, амплитуда которого неодинакова в разных районах Западно-Сибирской низменности.
Рис. 7.4. Электрокаротажный репер подошвы кузнецовской свиты 1 – глины; 2 – глины известковистые; 3 – глины алевритовые; 4 – глины опоковидные; 5 – глины песчанистые; 6 – алевролиты; 7 – известняки; 8 – мергели; сплошная линия – КС; пунктирная – ПС. (Рис. 5.23 из Степанов, Месежников, 1979, с. 128).
Наряду с получением данных о строении разреза в конкретных точках, геофизические методы все шире используются для исследования глубинного строения на больших площадях. Для стратиграфических целей наиболее распространены сейсмостратиграфические методы. Сейсмостратиграфия представляет геологическую интерпретацию записей сейсмограмм. Сейсмометрические границы, выделяемые по вещественно-структурным признакам геологических тел, соответствуют резкостным и (или) градиентным разделам в поле акустических параметров. Рисунок записи сейсмограмм между сейсмическими границами выражает акустические свойства соответствующих толщ горных пород. Т.е. сейсмостратиграфия является специфическим методом выделения и прослеживания геологических тел различной литолого-петрографической характеристики. Согласно Стратиграфическому Кодексу России (2006), сейсмотратиграфические подразделения делятся на региональные (сейсмокомплексы, ограниченные сейсмогоризонтами) и местные (сейсмотолща, сейсмопачка, сейсмослой), т.е. аналогично выделению литостратиграфических подразделений. Сейсмостратиграфические подразделения следует выделять в сейсмометрических границах одного и того же типа (например, между отражающими сейсмогоризонтами) или таким образом, чтобы каждая из границ подразделения (кровля или подошва) по латерали контролировалась однотипными сейсмометрическими границами (например, кровля подразделения проводится по отражающему сейсмогоризонту, а подошва — по преломляющему). Важными признаками сейсмостратиграфических подразделений являются их пространственная форма и рисунок сейсмической записи, отражающей особенности наслоений в разных условиях осадконакопления. Форма сейсмоподразделений разнообразна — от плоскопараллельной до сравнительно круто наклоненной линзовидной (клиноформной). Принадлежность выделяемых сейсмостратиграфических единиц именно к стратиграфическим подразделениям (а не к тектоническим и иным) необходимо устанавливать с помощью прямых геологических методов.
Магнитостратиграфический метод Является чрезвычайно распространенным в настоящее время геофизическим методом, применяемым в стратиграфии. По своей природе он принципиально отличается от рассмотренных литостратиграфических. Для его использования необходимо присутствие в исследуемой породе минералов ферромагнетиков. Метод, обычно называемый палеомагнитным, заключается в восстановлении истории геомагнитного поля Земли, закрепленной в векторах естественной остаточной намагниченности (Jn) горных пород. Он создан в 1953-1958 гг. нашим соотечественником профессором А.Н.Храмовым. «Теоретические предпосылки использования палеомагнитного метода в стратиграфии следующие. 1. Горные породы при своем образовании намагничиваются по направлению геомагнитного поля того места и времени, где они образовались (гипотеза фиксации). 2. Приобретенная первичная намагниченность сохраняется (хотя и частично) в породе и может быть выделена (гипотеза сохранения). 3. Геомагнитное поле, осредненное за дюбые промежутки времени порядка 1 млн. лет – палеомагнитное поле – является полем диполя, помещенного в центр Земли и ориентированного по оси ее вращения (гиптеза центрального осевого диполя). (Храмов в «Практической стратиграфии», 1984). Фактическим основанием использования палеомагнитного метода служат два обстоятельства. 1. Минералы-ферромагнетики распределяются в породе ориентированно по геомагнитному полю. В магматических и метаморфических породах такая ориентация кристаллам, в осадочных образованиях – это обломки, содержащие железо… …После ряда аналитических операций над ориентированными в пространстве образцами с ферромагнетиками удается выделить направление вектора первичной намагничеснности (J0n), соответствующее времени образования породы. Основным результатом анализа является возможность расчленения разреза на последовательные элементы, обладающие различными направлениями J0n, таким образом решается первая задача стратиграфии…. …2. Обстоятельством, которое позволяет решать вторую задачу стратиграфии – корреляцию, служит замечательная способность нашей планеты производить инверсии геомагнитного поля, т.е. обращение полярности или смены положений магнитных полюсов… ..В результате в осадочной оболочке земной коры возникли части разреза прямой и обратной намагниченности. Толщи с прямой полярностью (N-зоны) формировались, когда положение магнитных полюсов примерно соответствовало современному, с обратной полярностью (R-зоны) – когда положение полюсов было обратным (южный вместо северного). Границами N-зон и R-зон являются геомагнитные инверсии. В связи с тем, что положение магнитных полюсов в одно и то же время едино для всей планеты, палеомагнитные корреляции являются одними из наиболее надежных. Профессор Сан-Диегского университета М.К.Маршалл установил, что геомагнитная инверсия происходит в течение примерно 2000 лет. Это событие можно считать мгновенным для геологической истории, несомненно более скоростным, чем эволюция самых быстроэволюцинирующих видов организмов. Поэтому индентификация в разрезах одних и тех же палеомагнитных зон и доказательство, что это та же самая зона, что и выявленная в другом разрезе, является основанием для проведения синхронных границ… ..Данный метод завоевывает все большее признание. Однако на современном этапе глобальные сопоставления разрезов по палеомагнитным данным часто затруднены. Главной причиной этого является обилие перерывов в осадконакоплении, которые стирают палеомагнитную летопись, тем самым исключая из палеомагнитной последовательности важные геомагнитные инверсии и делая разрезы трудно сопоставимыми во многих случаях. Ограничение метода состоит еще и в том, что он очень трудоемкий, сложный и дорогой. Палеомагнитные исследования должны непременно сопровождаться палеонтологическими и палеофлористическими датировками по методике образец-в-образец. Причем чем больше разных биозональных последовательностей будет построено, тем достовернее будут стратиграфические результаты, основанные на сопоставлении лито-, био- и магнитостратиграфических данных» (цит. по Прозоровскому, 2003, с. 125-127). Магнитополярные единицы имеют свою иерархию, которая закреплена в «Стратиграфическом Кодексе России» (2006, с. 45-46): «Магнитостратиграфические подразделения — это совокупности горных пород в их первоначальной последовательности, объединенные своими магнитными характеристиками, отличающими их от подстилающих и перекрывающих слоев. Среди магнитостратиграфических подразделений по принципу обоснования различают магнитополярные и магнитные… ..Магнитополярные (палеомагнитные) подразделения основаны на магнитных параметрах, отражающих характеристики изменения геомагнитного поля во времени: изменения (обращения) полярности поля (инверсии, экскурсы), его напряженности, координат палеомагнитных полюсов и др. При этом главной характеристикой и основным критерием выделения является полярность геомагнитного поля. Среди магнитополярных подразделений различают общие, региональные и местные… ..Магнитные подразделения не имеют в своей основе изменений геомагнитного поля и выделяются по совокупности численных магнитных характеристик (по значениям магнитной восприимчивости, остаточной намагниченности, по параметрам магнитного насыщения и др.). Магнитные подразделения относятся к региональным и местным… …Магнитополярными подразделениями являются магнитозоны полярности (магнитозоны, зоны полярности) — совокупности геологических тел в первичной последовательности залегания, объединенных присущей им магнитной полярностью, отличающей их от подстилающих и перекрывающих слоев. Магнитная полярность геологических тел определяется первичной составляющей их естественной остаточной намагниченности, совпадающей с полярностью палеомагнитного поля… ..Таксономическая шкала общих магнитополярных подразделений (магнитозон) состоит из следующих соподчиненных единиц, которым соответствуют таксономические единицы магнитохронологической шкалы: Магнитополярные подразделения Мегазона Гиперзона Суперзона Ортозона Субзона Микрозона Магнитохронологические подразделения полярности и их приблизительная длительность, млн лет Мегахрон более 100 Гиперхрон 100—30 Суперхрон 30—5 Ортохрон 5—0,5 Субхрон 0,5—0,01 Микрохрон менее 0,01..
…Мегазона — магнитостратиграфическое подразделение, фиксирующее наиболее значительные этапы эволюции геомагнитного поля; по объему примерно сопоставима с эратемой фанерозоя. Гиперзона сопоставима с системой. Гиперзоне присваивают географическое название с указанием полярности и стратиграфического положения. Пример. Гиперзона R Киама С2—Р2 (от названия местности на восточном побережье Австралии)… ..Суперзона — охватывает меньший стратиграфический объем; сопоставима с несколькими ярусами или отделом. Суперзоне присваивают географическое название с указанием полярности и стратиграфического положения. Ортозона — основное подразделение магнитостратиграфической шкалы, представляющее собой монополярный интервал разреза или сочетание разнополярных субзон. Чаще всего это интервал преимущественной полярности с единичными реперными субзонами противоположной полярности. По объему сопоставима с ярусом или его частью. Ортозоны нумеруют отдельно по полярности. Допускается сохранение ранее введенных собственных названий для глобально идентифицированных ортозон. Примеры. Ортозона прямой полярности Брюнес (N). Ортозоны в татарском ярусе верхней перми (P2t): первая (снизу) зона обратной полярности — R1P2t; первая зона прямой полярности — N1P1t; вторая зона обратной полярности — R2P2t; вторая зона прямой полярности — N2P2t; третья зона обратной полярности — R3P2t… ..Если ортозона охватывает части смежных ярусов, то ей придается двойная стратиграфическая индексация с сохранением нумерации по нижнему ярусу. Пример. Зону обратной полярности на границе баррема и апта индексируют как R3K1br-a… ..Субзона — элементарная единица магнитостратиграфической шкалы, представляющая собой сравнительно узкий монополярный интервал разреза. Субзоны нумеруют снизу вверх в пределах ортозоны с указанием индекса полярности. Допускается сохранение ранее введенных географических названий. Для индексации субзон применяются двойные и тройные буквенные индексы. При этом первая буква (n, г, а) указывает на полярность субзоны, а следующие (N, NR, R, Rn, Nr и т. д.) — на принадлежность к определенной ортозоне. Пример. Первая снизу (по разрезу) субзона прямой полярности в третьей ортозоне обратной полярности татарского яруса верхней перми обозначается: n1R3P2t… ..Микрозона — наименьшая единица магнитостратиграфической шкалы, фиксирующая элементы тонкой временной структуры геомагнитного поля: экскурсы, аномальные отклонения и др. Микрозоны могут выступать также в качестве реперных уровней внутри единиц более высокого ранга. Их нумеруют снизу вверх в пределах суб- или ортозоны с обозначением полярности. Допускается сохранение ранее введенных географических названий. Микрозоны индексируются аналогично субзонам… ..При выделении и описании магнитозон приводятся следующие сведения: ранг; наименование (как правило, географическое) или нумерация (снизу вверх); общая характеристика с перечислением основных признаков (преобладающая полярность, особенности режима инверсий); стратиграфический объем и наличие соподчиненных магнитостратиграфических таксонов; соотношение с общими и региональными стратиграфическими подразделениями». Региональные и местные магнитостратиграфические подразделения «Региональные и местные магнитостратиграфические подразделения — это магнитополярные и магнитные подразделения, опознаваемые лишь в пределах конкретных регионов или структурно-фациальных зон. Независимо от принципа обоснования региональные и местные подразделения выделяются на основе стратотипов региональных или местных стратонов. Ранг региональных и местных зон магнитной полярности определяется по их соотношению с единицами Общей стратиграфической шкалы. Если их ранг относительно Общей шкалы не установлен, они обозначаются терминами «зона полярности» («подзона полярности») с собственными, в том числе географическими названиями орто- и субзон… …На основе выделения в разрезе и корреляции региональных и местных магнитостратиграфических подразделений составляются магнитостратиграфические схемы, которые обычно включаются в региональные стратиграфические схемы» (цит. по Стратиграфическому Кодексу, 2006, с. 50-51).
Контрольные вопросы:
53. Виды геофизических методов, применяемых в стратиграфии. Область их применения. 54. Применение электрокаротажа для решения стратиграфических задач. 55. Применение радиоактивного для решения стратиграфических задач. 56. Использование каротажа для расчленения и корреляции разрезов скважин 57. Сейсмостратиграфические методы в стратиграфии 58. Магнитостратиграфический метод и его роль в стратиграфии. 59. Фактическое основание использования палеомагнитного метода. 60. Прямая и обратная намагниченность. 61. Магнитостратиграфические подразделения: определение, виды. 62. Магнитополярные и магнитохронологические подразделения 63. Региональные и местные магнитостратиграфические подразделения |
|
