Минералы и горные породы

Қысқаша негізгісі

Минерал имеет определённый состав и решётку, порода — это смесь минералов в разных пропорциях. Одинаковый состав при разной решётке — разные минералы (кальцит и арагонит, графит и алмаз).
В коре больше всего кислорода и кремния, поэтому главные минералы — силикаты: кварц, полевые шпаты, слюды, глинистые минералы. В осадочных разрезах к ним добавляются карбонаты (кальцит, доломит) и эвапориты (галит, ангидрит, гипс).
Минерал узнают по сочетанию признаков: твёрдость по шкале Мооса, спайность, блеск, цвет черты, плотность, реакция с соляной кислотой, вкус, магнитность. Один признак почти никогда не решает.
Магматические породы кристаллизуются из расплава, осадочные образуются из обломков, химических и органических осадков, метаморфические — перекристаллизацией в твёрдом состоянии при высоких температуре и давлении. Все три класса переходят друг в друга в круговороте горных пород.
Коллекторы — в основном песчаники и карбонаты, покрышки — глины и эвапориты. Магматические и метаморфические породы становятся коллекторами в основном благодаря трещинам и выветриванию.

Негізгі қатынастар

\rho = \rho_l\,\dfrac{W_a}{W_a - W_l}

плотность обломка по весу в воздухе $W_a$ и в жидкости плотностью $\rho_l$

\dfrac{N_{\text{O}}}{N_{\text{Si}}} = 4 - \dfrac{s}{2}

атомов кислорода на один атом кремния, если тетраэдр делит с соседями $s$ вершин

\rho = \sum_j f_j\,\rho_j

плотность породы без пор по объёмным долям $f_j$ минералов

Жиі қателіктер

Определять минерал по цвету: кварц бывает бесцветным, белым, розовым, фиолетовым и дымчатым, а окраску кальцита задают примеси.
Считать, что минерал, не вскипающий с кислотой в куске, — не карбонат: доломит в куске почти не реагирует с холодной разбавленной соляной кислотой.
Считать высокий гамма-каротаж признаком глины: калиевые полевые шпаты и слюды тоже радиоактивны.
Путать англоязычный shale — осадочную глинистую породу (аргиллит) — с глинистым сланцем (slate), породой метаморфической.
Взвешивать галит в воде: он растворяется, и плотность получается заниженной.

Сабақтан кейін сіз

отличать минерал от породы и называть главные породообразующие минералы и их состав;
распознавать минералы по твёрдости, спайности, блеску, цвету черты, плотности и реакции с соляной кислотой; находить плотность обломка взвешиванием, а долю кальцита и доломита — по объёму выделившегося углекислого газа;
объяснять по строению силикатов, почему кварц твёрд и устойчив, а слюды и глинистые минералы расщепляются на пластинки;
различать магматические, осадочные и метаморфические породы и описывать круговорот горных пород;
объяснять, какие породы служат коллекторами и покрышками и какие минералы осложняют бурение, каротаж и обработку пластов.

Минерал и горная порода

Возьмём кусок гранита. В нём видны прозрачные серые зёрна, розовые или белые кристаллы с плоскими блестящими гранями и чёрные пластинки. Это три минерала — кварц, полевой шпат и слюда, а гранит — порода, их агрегат. Песчаник — тоже порода: обломки кварца и других минералов, сцементированные кальцитом, кварцем или глинистым веществом. Мрамор состоит почти из одного кальцита, но и он порода — агрегат множества кристаллов.

Минерал определяют две вещи: химический состав, который записывают формулой (у кварца — SiO₂), и кристаллическая решётка — правильное, повторяющееся расположение атомов. От решётки зависят форма кристаллов, твёрдость, плотность и то, как минерал раскалывается. Один и тот же состав может давать разные минералы: карбонат кальция CaCO₃ образует кальцит и более плотный арагонит, из которого многие моллюски строят раковины; углерод — мягкий графит и алмаз. Вещества без решётки, как вулканическое стекло или опал, строго говоря, не минералы, а минералоиды.

Свойства пласта складываются на каждом уровне: от решётки (доли нанометра) к зерну (от микрометров до сантиметров), от зерна к породе в образце керна и от породы к пласту. Проницаемость, например, зависит и от того, какой минерал покрывает стенки пор, и от того, как уложены и сцементированы зёрна, и от того, как чередуются слои (Проницаемость горных пород).

Силикаты: почему кварц твёрдый, а слюда расщепляется на листочки

Почти половина массы коры — кислород, больше четверти — кремний (состав коры). Поэтому основа большинства минералов — кремнекислородный тетраэдр (silica tetrahedron): атом кремния в центре и четыре атома кислорода в вершинах. Тетраэдр несёт отрицательный заряд, и минерал «собирается» двумя способами: тетраэдры связываются друг с другом через общие вершины-кислороды, а оставшийся заряд уравновешивают катионы — магний, железо, кальций, натрий, калий. Алюминий может замещать часть кремния; тогда говорят об алюмосиликатах, и в решётку входит дополнительный катион — например, калий в калиевом полевом шпате и в слюдах.

Чем больше вершин тетраэдр делит с соседями, тем прочнее связан каркас. Это видно по отношению числа атомов кислорода к числу атомов кремния: общая вершина принадлежит двум тетраэдрам сразу и считается за половину.

Соотношение кислорода и кремния в силикатной постройке

\frac{N_{\text{O}}}{N_{\text{Si}}} = 4 - \frac{s}{2}

мұндағы:

$N_{\text{O}}/N_{\text{Si}}$ число атомов кислорода на один атом кремния, —
$s$ сколько вершин в среднем тетраэдр делит с соседними тетраэдрами (от 0 до 4), —

Бірліктер: безразмерная величина

Мына жағдайда орындалады

все тетраэдры кремниевые; если часть кремния заменена алюминием, в знаменатель входит сумма атомов кремния и алюминия в тетраэдрах.

Четыре свободные вершины дают $\mathrm{SiO_4}$ (оливин), все четыре общие — $\mathrm{SiO_2}$ (кварц). Между ними — цепочки, ленты и слои.

Как устроены силикаты

Постройка: Отдельные тетраэдры
Общих вершин: 0
O : Si: 4
Примеры: оливин
Что из этого следует: плотные, быстро выветриваются

Постройка: Цепочки
Общих вершин: 2
O : Si: 3
Примеры: пироксены
Что из этого следует: тёмные минералы основных пород

Постройка: Двойные цепочки (ленты)
Общих вершин: 2 и 3, в среднем 2,5
O : Si: 2,75
Примеры: амфиболы
Что из этого следует: две спайности под углами около 60° и 120°

Постройка: Слои
Общих вершин: 3
O : Si: 2,5
Примеры: слюды, глинистые минералы
Что из этого следует: одна совершенная спайность, пластинки

Постройка: Каркас
Общих вершин: 4
O : Si: 2
Примеры: кварц, полевые шпаты
Что из этого следует: твёрдые; кварц очень устойчив

Постройка	Общих вершин	O : Si	Примеры	Что из этого следует
Отдельные тетраэдры	0	4	оливин	плотные, быстро выветриваются
Цепочки	2	3	пироксены	тёмные минералы основных пород
Двойные цепочки (ленты)	2 и 3, в среднем 2,5	2,75	амфиболы	две спайности под углами около 60° и 120°
Слои	3	2,5	слюды, глинистые минералы	одна совершенная спайность, пластинки
Каркас	4	2	кварц, полевые шпаты	твёрдые; кварц очень устойчив

Отношение 3 соответствует формуле $\mathrm{SiO_3}$ на один тетраэдр, 2,75 — $\mathrm{Si_4O_{11}}$ , 2,5 — $\mathrm{Si_2O_5}$ . У полевых шпатов и слюд часть тетраэдров занята алюминием, и отношения 2 и 2,5 получаются для суммы кремния и алюминия.

СызбаКремнекислородный тетраэдр и главные силикатные постройки (схема, вид сверху; кружки — атомы кислорода, общие вершины закрашены).

Отсюда главные свойства. В каркасе кварца прочные связи направлены во все стороны и слабых плоскостей нет, поэтому кварц твёрдый, не имеет спайности и почти не растворяется ни в воде, ни в кислотах, кроме плавиковой. В слоистых силикатах прочные связи действуют только внутри слоя, а слои держатся друг за друга слабее — через катионы или водородные связи. Поэтому слюда расщепляется на тонкие гибкие листочки, а глинистые минералы образуют микроскопические пластинки, между которыми у смектита может входить вода (строение глинистых минералов).

От строения зависит и устойчивость к выветриванию. Минералы, которые кристаллизуются из расплава первыми, при высокой температуре, — оливин, пироксены, кальциевые плагиоклазы — на поверхности разрушаются быстрее всех; кварц, последним кристаллизующийся из гранитного расплава, — медленнее всех. Полевые шпаты и слюды при выветривании превращаются в глинистые минералы — каолинит, иллит, смектит. Поэтому чем дольше песок переносился и перерабатывался, тем больше в нём кварца: зрелые пески почти целиком кварцевые (минералогическая зрелость).

Главные минералы осадочных разрезов

Минералов известно около шести тысяч, но в осадочных породах, с которыми работает нефтяник, встречается несколько десятков, а основу почти любой породы составляют полтора десятка. Их стоит знать в лицо — вместе с формулой, твёрдостью и плотностью.

Породообразующие минералы осадочных пород

Минерал: Кварц SiO₂
Твёрдость: 7
Плотность, г/см³: 2,65
Признаки и где встречается: стеклянный блеск, раковистый излом; главный минерал песчаников

Минерал: Калиевый полевой шпат KAlSi₃O₈
Твёрдость: 6
Плотность, г/см³: 2,55–2,63
Признаки и где встречается: две спайности под прямым углом; содержит калий; аркозы, граниты

Минерал: Плагиоклазы (Na, Ca)Al(Si, Al)Si₂O₈
Твёрдость: 6–6,5
Плотность, г/см³: 2,62–2,76
Признаки и где встречается: две спайности, тонкая штриховка на гранях; граниты, базальты

Минерал: Слюды: мусковит, биотит
Твёрдость: 2–3
Плотность, г/см³: 2,8–3,1
Признаки и где встречается: гибкие листочки; слюдистые песчаники и алевролиты

Минерал: Глинистые минералы: каолинит, иллит, смектит, хлорит
Твёрдость: 1–2,5
Плотность, г/см³: 2,0–3,3
Признаки и где встречается: микроскопические пластинки; глины, цемент песчаников

Минерал: Кальцит CaCO₃
Твёрдость: 3
Плотность, г/см³: 2,71
Признаки и где встречается: три спайности (ромбоэдры); бурно вскипает с соляной кислотой

Минерал: Доломит CaMg(CO₃)₂
Твёрдость: 3,5–4
Плотность, г/см³: 2,84–2,87
Признаки и где встречается: ромбоэдры, часто с изогнутыми гранями; в куске почти не вскипает

Минерал: Сидерит FeCO₃
Твёрдость: 3,5–4,5
Плотность, г/см³: около 3,9
Признаки и где встречается: бурый, тяжёлый; конкреции и цемент

Минерал: Ангидрит CaSO₄
Твёрдость: 3–3,5
Плотность, г/см³: 2,96–2,98
Признаки и где встречается: три спайности под прямым углом; эвапориты, цемент

Минерал: Гипс CaSO₄·2H₂O
Твёрдость: 2
Плотность, г/см³: 2,31–2,33
Признаки и где встречается: царапается ногтем; на глубине переходит в ангидрит

Минерал: Галит NaCl
Твёрдость: 2–2,5
Плотность, г/см³: 2,17
Признаки и где встречается: солёный, кубическая спайность, растворяется в воде

Минерал: Пирит FeS₂
Твёрдость: 6–6,5
Плотность, г/см³: около 5,0
Признаки и где встречается: латунно-жёлтый, металлический блеск, кубики

Минерал: Барит BaSO₄
Твёрдость: 3–3,5
Плотность, г/см³: около 4,5
Признаки и где встречается: очень тяжёлый; утяжелитель буровых растворов

Минерал	Твёрдость	Плотность, г/см³	Признаки и где встречается
Кварц SiO₂	7	2,65	стеклянный блеск, раковистый излом; главный минерал песчаников
Калиевый полевой шпат KAlSi₃O₈	6	2,55–2,63	две спайности под прямым углом; содержит калий; аркозы, граниты
Плагиоклазы (Na, Ca)Al(Si, Al)Si₂O₈	6–6,5	2,62–2,76	две спайности, тонкая штриховка на гранях; граниты, базальты
Слюды: мусковит, биотит	2–3	2,8–3,1	гибкие листочки; слюдистые песчаники и алевролиты
Глинистые минералы: каолинит, иллит, смектит, хлорит	1–2,5	2,0–3,3	микроскопические пластинки; глины, цемент песчаников
Кальцит CaCO₃	3	2,71	три спайности (ромбоэдры); бурно вскипает с соляной кислотой
Доломит CaMg(CO₃)₂	3,5–4	2,84–2,87	ромбоэдры, часто с изогнутыми гранями; в куске почти не вскипает
Сидерит FeCO₃	3,5–4,5	около 3,9	бурый, тяжёлый; конкреции и цемент
Ангидрит CaSO₄	3–3,5	2,96–2,98	три спайности под прямым углом; эвапориты, цемент
Гипс CaSO₄·2H₂O	2	2,31–2,33	царапается ногтем; на глубине переходит в ангидрит
Галит NaCl	2–2,5	2,17	солёный, кубическая спайность, растворяется в воде
Пирит FeS₂	6–6,5	около 5,0	латунно-жёлтый, металлический блеск, кубики
Барит BaSO₄	3–3,5	около 4,5	очень тяжёлый; утяжелитель буровых растворов

Твёрдость — по шкале Мооса, плотность — истинная; плотностной каротаж у некоторых минералов показывает другую, кажущуюся плотность (почему). Значения ориентировочные: природные минералы содержат примеси.

Кроме силикатов, в разрезах встречаются карбонаты (кальцит, доломит, сидерит), сульфаты (ангидрит, гипс, барит), галогениды (галит и калийная соль сильвин), сульфиды (пирит) и оксиды (гематит, магнетит). Минералы тяжелее 2,9 г/см³ — пирит, сидерит, барит, оксиды железа — даже в малых количествах заметно меняют показания плотностного каротажа (плотность скелета).

Как распознают минералы

У геолога в руках образец керна, обломки шлама и лупа. Минерал узнают по набору признаков: каждый из них по отдельности может подвести, но вместе они обычно однозначны.

Твёрдость: сопротивление царапанию. Её сравнивают со шкалой Мооса (Mohs scale) — десятью эталонными минералами от талька (1) до алмаза (10), каждый из которых царапает предыдущие. В поле пользуются подручными эталонами: ноготь — около 2,5, медная монета — около 3, оконное стекло и лезвие ножа — около 5,5. Кварц (7) царапает стекло, кальцит (3) царапается ножом, гипс (2) — ногтем.
Спайность (cleavage): способность раскалываться по плоскостям решётки с ровными блестящими поверхностями. У слюды одна такая плоскость, у полевых шпатов две, у кальцита, галита и ангидрита три; у кварца спайности нет — он даёт раковистый излом (conchoidal fracture), как стекло.
Блеск (lustre): как поверхность отражает свет: стеклянный (кварц, кальцит), перламутровый (слюда, гипс на плоскостях спайности), металлический (пирит), матовый или землистый (глинистые минералы).
Цвет и цвет черты (streak): цвет обманчив — его часто дают примеси. Надёжнее цвет черты — порошка минерала на матовой фарфоровой пластинке: у гематита она вишнёво-красная, у пирита — зеленовато-чёрная, у большинства светлых минералов — белая.
Плотность: тяжёлые минералы чувствуются в руке; точно её находят взвешиванием (пример ниже).
Реакция с кислотой: капля холодной 10-процентной соляной кислоты: кальцит бурно вскипает, выделяя углекислый газ; доломит в куске почти не реагирует, но вскипает в порошке или с подогретой кислотой.
Особые свойства: солёный вкус галита и горько-солёный — сильвина (пробовать на вкус можно не всё: некоторые минералы ядовиты), притяжение магнетита к магниту, гибкость листочков слюды, двойное лучепреломление прозрачного кальцита.

ЕсептеуШкала Мооса — порядковая. По измерениям склерометром кварц в 7 раз твёрже кальцита, а алмаз почти в 4 раза твёрже корунда, хотя их номера отличаются на единицу. Ось абсолютной твёрдости — логарифмическая; штриховые линии — подручные эталоны.

Плотность небольшого обломка находят по закону Архимеда: его взвешивают в воздухе и подвешенным в жидкости известной плотности. Разность показаний весов — это вес вытесненной жидкости, а по нему находят объём обломка.

Плотность обломка гидростатическим взвешиванием

\rho = \rho_l\,\frac{W_a}{W_a - W_l}

мұндағы:

$\rho$ плотность обломка, г/см³
$\rho_l$ плотность жидкости: вода около 1,00, керосин около 0,8, г/см³
$W_a$ показание весов при взвешивании в воздухе, г
$W_l$ показание весов, когда обломок подвешен в жидкости, г

Бірліктер: показания весов в одних единицах, плотности в одних единицах

Мына жағдайда орындалады

обломок из одного минерала, без пор и трещин, в которые проникает жидкость (иначе получится плотность с учётом пустот);
жидкость не растворяет обломок и не реагирует с ним, пузырьки воздуха удалены;
выталкивающей силой воздуха пренебрегают (поправка меньше 0,1 %).

Для пористых пород важна плотность твёрдой фазы — минералогическая плотность. В лаборатории её находят по массе сухого образца и объёму его зёрен, измеренному газом (Пористость, Лабораторный анализ керна).

Есептеу мысалыЧетыре светлых минерала из керна соленосно-карбонатного разреза

Бастапқы деректер (шартты)

Обломок А: царапает стекло; с кислотой не реагирует; излом раковистый; 3,18 г в воздухе, 1,98 г в воде
Обломок Б: царапается ножом, но не медной монетой; в куске не вскипает, в порошке вскипает; ромбоэдрическая спайность; 4,30 г и 2,80 г
Обломок В: царапается ножом, но не медной монетой; с кислотой не реагирует; раскалывается на прямоугольные бруски; 5,94 г и 3,94 г
Обломок Г: царапается ногтем с трудом; солёный; кубическая спайность; 2,60 г в воздухе, 1,64 г в керосине плотностью 0,80 г/см³

Шешім

А: $\rho = 3{,}18/(3{,}18 - 1{,}98) = 2{,}65$ г/см³, твёрдость больше 5,5 — кварц.
Б: $\rho = 4{,}30/1{,}50 = 2{,}87$ г/см³, твёрдость 3,5–4, вскипает только в порошке — доломит.
В: $\rho = 5{,}94/2{,}00 = 2{,}97$ г/см³, твёрдость около 3,5, три спайности под прямым углом, кислота не действует — ангидрит.
Г: в воде галит начал бы растворяться, поэтому его взвешивали в керосине: объём $(2{,}60 - 1{,}64)/0{,}80 = 1{,}20$ см³, плотность $2{,}60/1{,}20 = 2{,}17$ г/см³ — галит.

Жауап: Кварц (2,65 г/см³), доломит (2,87), ангидрит (2,97) и галит (2,17 г/см³).

Бұл нені білдіреді. Белые доломит и ангидрит в куске одинаково не реагируют с кислотой, но их разделяют плотность (разница 0,1 г/см³), форма обломков и реакция порошка. Ошибка взвешивания в 0,01 г меняет плотность обломка Б на 0,02 г/см³ — для такого разделения точности хватает. Если бы галит взвешивали в воде, часть его растворилась бы и плотность получилась бы заниженной. Данные примера условные.

В лаборатории минеральный состав определяют точнее. Шлифы (thin sections) — пластинки породы толщиной 30 мкм, наклеенные на стекло: в проходящем свете микроскопа минералы узнают по цвету, форме и оптическим свойствам, а поры, заполненные окрашенной смолой, видны как синие пятна. Рентгеновская дифракция (X-ray diffraction, XRD) даёт количественный минеральный состав, в том числе тонких глинистых фракций. Растровая электронная микроскопия (scanning electron microscopy, SEM) показывает облик глинистых минералов на стенках пор. На буровой при геолого-технологических исследованиях шлам описывают под бинокулярным микроскопом, а долю кальцита и доломита определяют карбонатометрией (calcimetry) — по объёму углекислого газа, выделившегося при реакции измельчённого шлама с соляной кислотой.

Содержание кальцита и доломита по объёму углекислого газа

w_{cc} = \frac{V_1}{k\,m}, \qquad w_{dol} = \frac{V_2}{1{,}086\,k\,m}

мұндағы:

$w_{cc},\ w_{dol}$ массовые доли кальцита и доломита в навеске, доли единицы
$V_1$ объём газа, выделившегося за первую минуту (кальцит), мл
$V_2$ объём газа, выделившегося затем за 20–30 минут (доломит), мл
$m$ масса навески, г
$k$ объём газа от 1 г чистого кальцита по калибровке прибора; около 240 мл/г при 20 °C и атмосферном давлении, мл/г

Бірліктер: мл и г; $k$ определяют калибровкой при тех же условиях

Мына жағдайда орындалады

соляная кислота в избытке; кальцит реагирует почти полностью за первую минуту, доломит — за десятки минут, и граница по времени условна;
сидерит и другие медленно реагирующие карбонаты попадают в «доломит»;
часть газа растворяется в кислоте; калибровка по чистому кальциту в тех же условиях это учитывает.

Коэффициент 1,086 показывает, во сколько раз больше газа даёт грамм доломита, чем грамм кальцита: молекула доломита $\mathrm{CaMg(CO_3)_2}$ (184,4 г/моль) выделяет две молекулы $\mathrm{CO_2}$ , молекула кальцита $\mathrm{CaCO_3}$ (100,1 г/моль) — одну; $2\cdot 100{,}1/184{,}4 = 1{,}086$ .

Есептеу мысалыСколько кальцита и доломита в шламе

Бастапқы деректер (шартты)

Калибровка: 0,200 г чистого кальцита дали 48,1 мл газа
Навеска шлама: 0,500 г, измельчённого в порошок
Газ за первую минуту: 64,0 мл
Газ ещё за 25 минут: 38,0 мл

Шешім

Калибровочный коэффициент: $k = 48{,}1/0{,}200 = 240{,}5$ мл/г.
Кальцит: $w_{cc} = 64{,}0/(240{,}5\cdot 0{,}500) = 0{,}532$ , то есть 53,2 %.
Доломит: $w_{dol} = 38{,}0/(1{,}086\cdot 240{,}5\cdot 0{,}500) = 0{,}291$ , то есть 29,1 %.
Некарбонатная часть — кварц, глинистые минералы, ангидрит: $100 - 53{,}2 - 29{,}1 = 17{,}7$ %.

Жауап: В шламе около 53,2 % кальцита и 29,1 % доломита; 17,7 % — некарбонатные минералы.

Бұл нені білдіреді. По составу это известняк со значительной долей доломита; как такие породы называют, разобрано в теме Осадочные породы и их классификация. Вместе с описанием шлама такие данные позволяют строить литологическую колонку скважины по ходу бурения. Если часть мелкозернистого доломита прореагировала уже в первую минуту, кальцит завышен, а доломит занижен; если газ растворялся в кислоте сильнее, чем при калибровке, занижены оба. Ангидрит при этом от кварца не отличить: газа не дают оба. Данные примера условные.

Три класса горных пород

По происхождению горные породы делят на три класса, и признаки, по которым их различают в образце, прямо связаны с тем, как порода образовалась.

Магматические породы (igneous rocks) кристаллизуются из расплава — магмы. Застывшие на глубине интрузивные (intrusive), или глубинные, породы остывали медленно, кристаллы успели вырасти, и их видно глазом; так выглядят гранит и габбро. Излившиеся на поверхность эффузивные (extrusive), или вулканические, породы остыли быстро: кристаллы мелкие, часть вещества — стекло, нередко есть пустоты от пузырьков газа; таковы риолит и базальт. Тела магмы, застывшие в трещинах поперёк слоёв, называют дайками (dikes), а внедрившиеся между слоями — силлами (sills).

По составу различают кислые магматические породы — светлые, богатые кремнезёмом, с кварцем и полевыми шпатами (гранит, риолит; около 70 % SiO₂) — и основные — тёмные и тяжёлые, с плагиоклазом и пироксеном (габбро, базальт; около 50 % SiO₂). Ещё беднее кремнезёмом ультраосновные породы мантии — перидотиты. Кислые и близкие к ним по составу породы преобладают в верхней части континентальной коры, основные слагают океаническую; отсюда и различие плотностей двух типов коры (подробнее).

Есептеу мысалыПочему базальт тяжелее гранита

Бастапқы деректер (шартты)

Гранит (объёмные доли): кварц 30 % (2,65), калиевый полевой шпат 35 % (2,56), натриевый плагиоклаз 25 % (2,64), биотит 10 % (3,0 г/см³)
Базальт: кальциевый плагиоклаз 55 % (2,70), пироксен 38 % (3,30), оливин 5 % (3,30), магнетит 2 % (5,18 г/см³)
Пустоты и поры: нет

Шешім

Плотность смеси минералов — среднее, взвешенное по объёмным долям. Гранит: $0{,}30\cdot 2{,}65 + 0{,}35\cdot 2{,}56 + 0{,}25\cdot 2{,}64 + 0{,}10\cdot 3{,}0 = 2{,}651$ г/см³.
Базальт: $0{,}55\cdot 2{,}70 + 0{,}38\cdot 3{,}30 + 0{,}05\cdot 3{,}30 + 0{,}02\cdot 5{,}18 = 3{,}008$ г/см³.
Разница: $3{,}008 - 2{,}651 = 0{,}357$ г/см³, или 13,5 %.

Жауап: Гранит без пор — около 2,65 г/см³, базальт — около 3,01 г/см³, на 13,5 % тяжелее.

Бұл нені білдіреді. Разница кажется небольшой, но в масштабе литосферы она решающая: лёгкая гранитная кора континентов стоит выше тяжёлой базальтовой коры океанов (изостазия). Та же формула смешения нужна для плотности скелета осадочных пород при расчёте пористости по плотностному каротажу. Составы примера условные, но типичные.

Осадочные породы (sedimentary rocks) образуются на поверхности Земли из продуктов разрушения других пород и из веществ, растворённых в воде. Обломочные (clastic), или терригенные, породы — конгломераты, песчаники, алевролиты, глины и аргиллиты — сложены обломками, перенесёнными водой, ветром или льдом и сцементированными после захоронения. Хемогенные и биогенные (chemical and biochemical) породы осаждаются из воды химически или накапливаются из скелетов организмов: известняки, доломиты, кремнистые породы, эвапориты (каменная соль, ангидрит, гипс). Органогенные породы — угли — образуются из растительных остатков. Главные признаки осадочных пород — слоистость, обломочное строение, остатки организмов. Как их называют и классифицируют по составу и размеру зёрен, разобрано в теме Осадочные породы и их классификация.

Метаморфические породы (metamorphic rocks) возникают, когда уже существующие породы перекристаллизовываются в твёрдом состоянии — без плавления — под действием высокой температуры, давления и горячих растворов. Контактовый (contact) метаморфизм идёт вокруг магматических тел, где главную роль играет нагрев; региональный (regional) — на больших площадях при глубоком погружении и горообразовании, где к нагреву добавляются давление и сдвиг. Под давлением пластинчатые минералы выстраиваются параллельно, и порода приобретает сланцеватость (foliation): глина с ростом температуры и давления превращается в глинистый сланец, затем в кристаллический сланец и гнейс. Породы почти из одного минерала сланцеватости не приобретают: кварцевый песчаник превращается в кварцит, известняк — в мрамор.

Как отличить три класса пород

Класс: Магматические
Как образуется: кристаллизация расплава
Что видно в образце: сросшиеся кристаллы без слоистости; у вулканических — стекло, пузырьки
Примеры: гранит, габбро, риолит, базальт

Класс: Осадочные
Как образуется: отложение обломков и осадков из воды, захоронение и уплотнение
Что видно в образце: слоистость, обломочные зёрна, остатки организмов
Примеры: песчаник, аргиллит, известняк, соль

Класс: Метаморфические
Как образуется: перекристаллизация в твёрдом состоянии
Что видно в образце: сросшиеся кристаллы, часто полосчатость и сланцеватость
Примеры: гнейс, сланцы, кварцит, мрамор

Класс	Как образуется	Что видно в образце	Примеры
Магматические	кристаллизация расплава	сросшиеся кристаллы без слоистости; у вулканических — стекло, пузырьки	гранит, габбро, риолит, базальт
Осадочные	отложение обломков и осадков из воды, захоронение и уплотнение	слоистость, обломочные зёрна, остатки организмов	песчаник, аргиллит, известняк, соль
Метаморфические	перекристаллизация в твёрдом состоянии	сросшиеся кристаллы, часто полосчатость и сланцеватость	гнейс, сланцы, кварцит, мрамор

Круговорот горных пород

СызбаКруговорот горных пород: основной путь (сплошные стрелки) и короткие пути (штриховые). Схема.

Ни одна порода не вечна — все они участвуют в круговороте горных пород (rock cycle). Магматические породы, поднятые к поверхности, разрушаются выветриванием, продукты разрушения переносятся и откладываются в бассейнах. Погружаясь, осадки уплотняются и цементируются — превращаются в осадочные породы. При дальнейшем погружении и нагреве осадочные породы становятся метаморфическими, а при ещё более высокой температуре плавятся и дают новую магму. Путь может прерваться на любом этапе: поднятая к поверхности метаморфическая или осадочная порода снова разрушается, а магматическая может стать метаморфической, не побывав осадком.

Двигатели круговорота — внутреннее тепло Земли и тектоника плит, которая погружает и поднимает огромные блоки литосферы (Тектоника плит и осадочные бассейны), а также солнечная энергия, которая движет воду и воздух, разрушающие породы на поверхности. Масштаб времени — десятки и сотни миллионов лет, поэтому в разрезе одной скважины друг над другом могут лежать породы, образовавшиеся в совершенно разных условиях.

Где в круговороте нефть

Нефтяник работает на одном отрезке круговорота — между осадком и метаморфической породой. Органическое вещество осадков при погружении созревает и даёт нефть и газ (Нефтематеринские породы, созревание и миграция), осадочные коллекторы их вмещают. Если же погружение и нагрев зайдут слишком далеко, поры закроются, нефть превратится в газ, а органическое вещество — в графит. Поэтому нефтегазоносны в основном осадочные бассейны, не прошедшие метаморфизма.

Породы и минералы в работе нефтяника

Для пласта важен не только класс породы, но и то, какие в ней минералы и где они находятся: в зёрнах, в цементе или на стенках пор.

Какие породы служат коллекторами и покрышками

Породы: Песчаники, алевролиты
Роль: главные терригенные коллекторы
Почему: поры между прочными зёрнами кварца

Породы: Известняки, доломиты
Роль: коллекторы
Почему: поры, каверны растворения, трещины; доломитизация нередко улучшает коллектор

Породы: Глины, аргиллиты
Роль: покрышки и нефтематеринские породы
Почему: очень мелкие поры, высокое давление входа; накапливают органическое вещество

Породы: Каменная соль, ангидрит, гипс
Роль: лучшие покрышки
Почему: почти нет пор; соль пластична и не трескается

Породы: Магматические и метаморфические
Роль: фундамент; изредка коллекторы
Почему: собственная пористость почти нулевая (кроме пузыристых лав); ёмкость дают трещины и выветрелая верхняя часть

Породы	Роль	Почему
Песчаники, алевролиты	главные терригенные коллекторы	поры между прочными зёрнами кварца
Известняки, доломиты	коллекторы	поры, каверны растворения, трещины; доломитизация нередко улучшает коллектор
Глины, аргиллиты	покрышки и нефтематеринские породы	очень мелкие поры, высокое давление входа; накапливают органическое вещество
Каменная соль, ангидрит, гипс	лучшие покрышки	почти нет пор; соль пластична и не трескается
Магматические и метаморфические	фундамент; изредка коллекторы	собственная пористость почти нулевая (кроме пузыристых лав); ёмкость дают трещины и выветрелая верхняя часть

Подробно о качестве коллектора и об удерживающей способности покрышки — в теме Коллектор и покрышка.

Минералы, которые осложняют работу

Минерал: Смектит
Что происходит: набухает в пресной воде; ствол сужается, глина налипает на инструмент
Где это важно: выбор бурового раствора

Минерал: Каолинит, иллит
Что происходит: мелкие частицы отрываются и закупоривают поры; волокна иллита резко снижают проницаемость
Где это важно: повреждение пласта

Минерал: Хлорит, сидерит
Что происходит: железо, перешедшее в кислоту, выпадает в осадок, когда кислота нейтрализуется
Где это важно: кислотные обработки

Минерал: Кальцит в песчанике
Что происходит: с плавиковой кислотой даёт нерастворимый фторид кальция, поэтому его заранее растворяют соляной
Где это важно: кислотные обработки

Минерал: Галит
Что происходит: растворяется пресным раствором: каверны, неустойчивый ствол
Где это важно: буровые растворы

Минерал: Калиевые полевые шпаты, слюды
Что происходит: калий даёт высокий гамма-каротаж в чистом песчанике
Где это важно: гамма-каротаж

Минерал: Пирит, сидерит
Что происходит: завышают плотность и фотоэлектрический индекс; пирит к тому же снижает сопротивление
Где это важно: плотностной каротаж

Минерал: Кварц, кремень, пирит
Что происходит: твёрдые и абразивные, изнашивают долото
Где это важно: выбор долота

Минерал	Что происходит	Где это важно
Смектит	набухает в пресной воде; ствол сужается, глина налипает на инструмент	выбор бурового раствора
Каолинит, иллит	мелкие частицы отрываются и закупоривают поры; волокна иллита резко снижают проницаемость	повреждение пласта
Хлорит, сидерит	железо, перешедшее в кислоту, выпадает в осадок, когда кислота нейтрализуется	кислотные обработки
Кальцит в песчанике	с плавиковой кислотой даёт нерастворимый фторид кальция, поэтому его заранее растворяют соляной	кислотные обработки
Галит	растворяется пресным раствором: каверны, неустойчивый ствол	буровые растворы
Калиевые полевые шпаты, слюды	калий даёт высокий гамма-каротаж в чистом песчанике	гамма-каротаж
Пирит, сидерит	завышают плотность и фотоэлектрический индекс; пирит к тому же снижает сопротивление	плотностной каротаж
Кварц, кремень, пирит	твёрдые и абразивные, изнашивают долото	выбор долота

Сведения о минералах и породах инженер получает из нескольких источников. Шлам (cuttings) — мелкие обломки породы, выносимые буровым раствором, — описывают на буровой сразу после разбуривания интервала. Керн и боковой керн дают образцы, на которых делают шлифы, рентгеновский анализ и измерения свойств (Лабораторный анализ керна). Каротаж даёт непрерывную, но косвенную картину минерального состава (Литология по фотоэлектрическому индексу и спектрометрии, Литология и пористость по кросс-плотам). Описание породы — цвет, строение, размер и форма зёрен, минералы, цемент, видимая пористость, реакция с кислотой — называют её литологической характеристикой, или литологией (lithology).

Терминдер мен белгілер

Минерал: природное твёрдое вещество определённого состава с кристаллической решёткой.
Горная порода: природный агрегат зёрен или кристаллов одного или нескольких минералов.
Кремнекислородный тетраэдр: атом кремния и четыре атома кислорода в вершинах тетраэдра — основа силикатов.
Шкала Мооса: порядковая шкала твёрдости из десяти эталонных минералов от талька (1) до алмаза (10).
Спайность: раскалывание минерала по плоскостям решётки с ровными поверхностями; противоположность — неровный или раковистый излом.
Цвет черты: цвет порошка минерала на матовой фарфоровой пластинке; надёжнее цвета самого минерала.
Магматические, осадочные, метаморфические породы: три класса пород по происхождению: из расплава, из осадков, перекристаллизацией в твёрдом состоянии.
Круговорот горных пород: непрерывный переход пород одного класса в другой через выветривание, осадконакопление, погружение, метаморфизм и плавление.
Шлиф: пластинка породы толщиной 30 мкм для изучения под микроскопом в проходящем свете.
Карбонатометрия: определение доли кальцита и доломита по объёму углекислого газа, выделившегося с соляной кислотой.
Литология: описание породы: состав, строение, размер зёрен, цемент, цвет, видимая пористость.

Жиі қателіктер

Қате

«Белый минерал, не вскипающий с кислотой, — не карбонат».

Шын мәнінде

Доломит в куске почти не реагирует с холодной разбавленной соляной кислотой; его проверяют на порошке или подогретой кислотой. Сидерит реагирует ещё медленнее.

Қате

«Цвет — главный признак минерала».

Шын мәнінде

Цвет часто дают примеси. Надёжнее твёрдость, спайность, блеск, цвет черты, плотность и реакция с кислотой — в сочетании.

Қате

«Высокий гамма-каротаж — значит, глина».

Шын мәнінде

Калиевые полевые шпаты и слюды (за счёт калия) и уран органического вещества тоже дают высокие показания. Аркозовый песчаник может быть хорошим коллектором при высоком гамма-каротаже; помогает спектрометрия (Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности).

Қате

«Магматические и метаморфические породы никогда не бывают коллекторами».

Шын мәнінде

Собственная пористость у них почти нулевая, но трещиноватый и выветрелый фундамент местами содержит промышленные залежи — если рядом есть нефтематеринские породы и сверху покрышка.

Қате

«Твёрдость 8 по Моосу вдвое больше твёрдости 4».

Шын мәнінде

Шкала порядковая: она только упорядочивает минералы. Абсолютная твёрдость топаза (8) примерно в 10 раз больше, чем у флюорита (4).

Толық: тереңдетілген

Молярный объём: как превращения минералов меняют объём

Когда один минерал замещает другой, объём твёрдой фазы меняется, и это сказывается на порах и давлении. Объём одного моля минерала равен его молярной массе, делённой на плотность: $V_M = M/\rho$ .

Есептеу мысалыГипс и ангидрит: сколько воды и объёма

Бастапқы деректер (шартты)

Гипс CaSO₄·2H₂O: $M = 172{,}2$ г/моль, $\rho = 2{,}32$ г/см³
Ангидрит CaSO₄: $M = 136{,}1$ г/моль, $\rho = 2{,}97$ г/см³
Вода: 2 моль по 18,0 г/моль на моль гипса, плотность около 1,0 г/см³

Шешім

Молярные объёмы: гипс $172{,}2/2{,}32 = 74{,}2$ см³/моль, ангидрит $136{,}1/2{,}97 = 45{,}8$ см³/моль.
При обезвоживании гипса объём твёрдой фазы уменьшается на $(74{,}2 - 45{,}8)/74{,}2 = 38$ %, а на каждый моль освобождается около 36 см³ воды.
Ангидрит и вода вместе занимают $45{,}8 + 36 = 81{,}8$ см³ — на 10 % больше исходного гипса.

Жауап: При переходе гипса в ангидрит твёрдая фаза теряет около 38 % объёма, но вместе с освободившейся водой объём растёт примерно на 10 %.

Бұл нені білдіреді. Если вода может уйти, в породе остаются пустоты; если не может, растёт давление — это один из механизмов аномально высокого порового давления (Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание). Обратный переход, гидратация ангидрита у поверхности, увеличивает объём твёрдой фазы более чем на 60 % и может вызывать вспучивание пород. Похожий расчёт для доломитизации известняка показывает, что замещение кальцита доломитом «молекула за молекулу» уменьшает объём твёрдой фазы примерно на 13 %: так возникает часть пористости доломитов (Диагенез: уплотнение, цементация и растворение). Плотности и молярные массы — справочные, округлённые.

Басқа тақырыптармен байланыс

Строение и состав Земли — оболочки Земли, состав коры и мантии, изостазия.
Осадочные породы и их классификация — названия и классификация осадочных пород по составу и размеру зёрен.
Коллектор и покрышка — что делает породу коллектором и покрышкой.
Плотностной гамма-гамма каротаж и фотоэлектрический индекс — плотность и фотоэлектрический индекс минералов в каротаже.
Гамма-каротаж и спектрометрия естественной радиоактивности — радиоактивные минералы и естественная радиоактивность пород.
Лабораторный анализ керна — лабораторные исследования керна.
Растворы на водной основе и химия глин — строение глинистых минералов и их взаимодействие с буровым раствором.

Өзіңізді тексеріңіз

1
Белый минерал царапается ножом, но не медной монетой; в куске он не реагирует с холодной разбавленной соляной кислотой, а его порошок вскипает. Что это?
1. А.Гипс
2. Б.Кварц
3. В.Доломит
4. Г.Кальцит
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. Доломит
Кальцит (3) бурно вскипает уже в куске; кварц (7) сам царапает нож; гипс (2) царапается ногтем. Твёрдость 3,5–4 и реакция только в порошке — признаки доломита.
2
Почему слюда расщепляется на тонкие листочки, а кварц — нет?
1. А.В кварце больше кислорода
2. Б.Слюда содержит воду
3. В.В слюде тетраэдры связаны в слои, а слои держатся слабо; в кварце тетраэдры образуют прочный каркас
4. Г.Слюда мягче кварца
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: В. В слюде тетраэдры связаны в слои, а слои держатся слабо; в кварце тетраэдры образуют прочный каркас
Спайность определяет решётка: в слоистых силикатах прочные связи действуют только внутри слоя, а между слоями — слабые связи через катионы. В каркасе кварца все четыре вершины тетраэдра общие, слабых плоскостей нет, поэтому излом раковистый. Кислорода на атом кремния в кварце как раз меньше (2 против 2,5), но расщепление определяет не это.
3
Обломок весит 6,24 г в воздухе и 4,14 г в воде. Он не реагирует с кислотой ни в куске, ни в порошке, раскалывается на прямоугольные бруски и царапается ножом. Найдите плотность и назовите минерал.
Жауабын көрсету
$\rho = 6{,}24/(6{,}24 - 4{,}14) = 6{,}24/2{,}10 \approx 2{,}97$ г/см³. Такую плотность, три спайности под прямым углом, твёрдость ниже, чем у ножа, и отсутствие реакции с кислотой даёт ангидрит. Кальцит легче (2,71) и вскипает, доломит (2,84–2,87) вскипает в порошке, гипс (2,32) царапается ногтем, галит (2,17) солёный.
4
При карбонатометрии навеска 0,400 г выделила 30,0 мл газа за первую минуту и ещё 50,0 мл за полчаса; калибровка — 240 мл на 1 г кальцита. Каков состав породы?
Жауабын көрсету
Кальцит: $30{,}0/(240\cdot 0{,}400) = 0{,}31$ ; доломит: $50{,}0/(1{,}086\cdot 240\cdot 0{,}400) = 0{,}48$ ; остаток около 21 %. Доломита больше, чем кальцита: это доломитовая порода с примесью кальцита и некарбонатных минералов.
5
Какая порода, скорее всего, окажется хорошей покрышкой?
1. А.Трещиноватый гранит
2. Б.Хорошо отсортированный кварцевый песчаник
3. В.Известняк с кавернами
4. Г.Каменная соль
Жауабын көрсету
Дұрыс жауап: Г. Каменная соль
Соль почти не имеет пор и пластична: при деформациях она не трескается, а течёт, поэтому служит одной из лучших покрышек. Остальные породы проницаемы — по порам, кавернам или трещинам.
6
Почему в зрелых песках почти один кварц, хотя в гранитах, при разрушении которых они образовались, полевых шпатов больше, чем кварца?
Жауабын көрсету
Кварц — каркасный силикат без слабых плоскостей, твёрдый и почти нерастворимый, поэтому переживает выветривание и долгий перенос. Полевые шпаты и слюды при выветривании превращаются в глинистые минералы, а при переносе раскалываются по спайности и истираются. Чем дольше и дальше переносился песок, тем больше в нём доля кварца.

Жаңартылған: 9 октября 2026 г.