Кратко о главном
- Карбонаты рождаются в самом бассейне: зёрна — скелеты организмов и их обломки, ил выделяют водоросли и микробы. Поэтому фабрика работает там, где тепло, светло, мелко и мало глины и песка с суши.
- Свет в воде убывает экспоненциально, и продукция рифов и водорослей близка к наибольшей лишь в верхних 10–20 м прозрачной воды. К низу фотической зоны она падает до малой доли наибольшей, а эта граница лежит в прозрачной воде на глубине от нескольких десятков до сотни с лишним метров, в мутной — около 20 м и мельче.
- Арагонит и магнезиальный кальцит, из которых строят скелеты многие организмы, неустойчивы: после отложения арагонит растворяется или перекристаллизуется, магнезиальный кальцит теряет магний. Древние известняки состоят из маломагнезиального кальцита, а доломит в них в основном вторичный.
- Обстановки от суши к морю: себха и приливная равнина, лагуна, отмели и рифы борта, склон, бассейн. На рампе дно опускается полого, обычно меньше чем на градус, и пояса тянутся на километры и десятки километров; у окаймлённого шельфа борт обрывается крутым склоном, и пояса узкие.
- По Шокетту — Прею поры бывают избирательными по структуре (межзерновые, внутризерновые, межкристаллические, поры-отпечатки, фенестры, поры укрытия, каркасные), неизбирательными (трещины, каналы, каверны, пещеры) и смешанными.
- Проницаемость определяют размер частиц и связность пор, а не пористость: разобщённые поры-отпечатки и каверны добавляют пористость почти без проницаемости, трещины — проницаемость почти без пористости.
ослабление света с глубиной; нижняя граница фотической зоны —
продукция карбоната, ограниченная светом
молярный объём: кальцит занимает примерно на 8 % больше места, чем то же количество арагонита
ширина пояса глубин на дне с уклоном
- Ждать от пористого карбоната высокой проницаемости: поры-отпечатки и каверны часто разобщены.
- Оценивать пористость карбоната по одному акустическому каротажу: каверн он почти не видит.
- Судить о пласте по образцам керна: они не вмещают крупных каверн и редко пересекают трещины.
- Переносить свойства одной фации на всю постройку: пористость рифового борта и лагуны различается в разы.
- Считать, что доломит всегда пористее известняка: избыточный доломит и ангидритовый цемент закрывают поры.
После урока вы сможете
- объяснить, как работает карбонатная фабрика, почему карбонаты накапливаются там, где тепло, светло, мелко и нет обломочного материала, и оценить, как продукция убывает с глубиной;
- называть главные карбонатные зёрна и минералы — арагонит, магнезиальный и маломагнезиальный кальцит, доломит — и объяснять, почему минералогия осадка предопределяет судьбу его пор;
- описывать обстановки от себхи и приливной равнины до склона и бассейна и различать рампу, окаймлённый шельф и изолированную платформу;
- классифицировать поры карбонатов по Шокетту — Прею и отличать поры, избирательные по структуре породы, от неизбирательных, а разобщённые каверны — от сообщающихся;
- оценивать, как тип пор сказывается на проницаемости, показаниях каротажа и насыщенности;
- связывать строение подсолевых карбонатных построек Прикаспия с тем, где в них сосредоточена пористость.
Карбонатная фабрика: где рождаются карбонаты
Обломочные зёрна рождаются на суше, при разрушении гор, и приходят в бассейн с реками, ветром и льдом. Карбонатные зёрна в основном рождаются в самом бассейне — там же или недалеко от того места, где их похоронит осадок. Почти весь карбонат мелководных морей — это скелеты и раковины организмов, их обломки и известковый ил, который выделяют известковые водоросли и который выпадает из прогретой воды при участии микробов. Поэтому карбонатный осадок — продукт живого сообщества, и о нём говорят как о продукции карбонатной фабрики.
Фабрике нужны условия, в которых процветают её «работники»:
- Свет. Рифостроящие кораллы живут в симбиозе с одноклеточными водорослями, а известковые водоросли сами фотосинтезируют, поэтому их продукция падает с глубиной вместе со светом.
- Тепло. Рифы и оолитовые отмели — признак тропической воды: рифостроящие кораллы мелководья плохо переносят воду холоднее примерно 18 °C. В холодных морях карбонат тоже накапливается, но иначе (см. ниже).
- Чистая вода. Глина и песок, которые приносят реки, мутят воду, засыпают организмы и разбавляют карбонат. Поэтому карбонатные платформы растут вдали от устьев крупных рек и чаще в засушливом климате.
- Нормальная солёность и бедная питательными веществами вода. При избытке питательных веществ быстро размножаются водоросли и планктон, вода мутнеет, и кораллы проигрывают конкуренцию. В лагунах с повышенной солёностью разнообразие организмов падает, зато разрастаются микробные маты и осаждаются эвапориты.
- Волнение и течения. Они разносят продукцию: ил выносится в лагуны и на склон, песок скапливается на отмелях.
Главный из этих факторов — свет — легко описать количественно. Каждый следующий метр воды поглощает одну и ту же долю дошедшего до него света, поэтому свет убывает с глубиной экспоненциально.
- фотосинтетически активный свет на глубине и у поверхности, мкмоль фотонов/(м²·с)
- коэффициент ослабления света водой, 1/м
- глубина, м
Единицы: СИ: — в 1/м, — в метрах
- прозрачность воды одинакова по глубине; в действительности меняется с глубиной, сезоном и погодой;
- в самой прозрачной океанской воде составляет сотые доли (около 0,03–0,05 1/м), в мутной прибрежной — 0,2 1/м и больше.
Глубину, до которой доходит 1 % поверхностного света, принимают за нижнюю границу фотической зоны (photic zone): . В самой прозрачной океанской воде это 90–150 м, в прозрачной воде у рифов — обычно несколько десятков метров, в мутной прибрежной — около 20 м и меньше.
Продукция растёт со светом не бесконечно: при ярком свете фотосинтез насыщается, и дальше рост ограничивают другие факторы. Такое насыщение описывают гиперболическим тангенсом — этим приёмом пользуются в моделях роста рифов.
- продукция — скорость, с которой карбонат наращивает дно на глубине , мм/год
- наибольшая продукция при избытке света, мм/год
- свет насыщения: при продукция составляет наибольшей, мкмоль фотонов/(м²·с)
- свет у поверхности, коэффициент ослабления и глубина, как выше, мкмоль фотонов/(м²·с), 1/м, м
Единицы: и — в мм/год (1 мм/год — это 1 м за тысячу лет), и — в одних единицах света, — в 1/м, — в метрах
- продукцию ограничивает только свет; температура, питательные вещества и солёность учтены в — для одного сообщества организмов и одних условий;
- речь о наращивании дна на месте; часть продукции разносят волны и течения, часть разрушают организмы, поэтому средняя скорость накопления карбонатной толщи за тысячи и миллионы лет намного меньше ;
- параметры модели подбирают по наблюдениям за современными рифами; в примере они условные.
У поверхности света в избытке, и продукция близка к наибольшей; глубже свет становится ограничителем, и продукция быстро падает. Чем мутнее вода (больше ), тем ближе к поверхности поднимается «пол» фабрики.
- Наибольшая продукция
- 8 мм/год (сообщество кораллов и водорослей)
- Свет у поверхности и свет насыщения
- 2000 и 200 мкмоль фотонов/(м²·с),
- Ослабление света
- 0,08 1/м в прозрачной воде и 0,2 1/м в мутной
- Прозрачная вода, 10 м: , мм/год; на 20 м и мм/год.
- На 30 м , мм/год; на 50 м и мм/год.
- Половина наибольшей продукции, 4 мм/год, — при , то есть : м. Нижняя граница фотической зоны: м.
- Мутная вода ( 1/м): на 10 м мм/год, на 30 м — 0,2 мм/год; половина продукции — на глубине м, 1 % света — на м.
Что это значит. Отсюда три главных свойства карбонатных платформ. Они плоские сверху и растут до уровня моря: быстрее всего наращивается то, что лежит мелко. Они чувствительны к колебаниям уровня моря: опустившись слишком глубоко, вершина перестаёт успевать за ним (дополнительный раздел). И они избегают мутных вод: у устьев рек фабрика подавлена. Порядок чисел реалистичен: современные рифы наращивают дно на миллиметры в год, а средняя скорость накопления карбонатных толщ за миллионы лет — сотые доли миллиметра в год, потому что в долгий интервал попадают перерывы и размывы (несогласия). Данные примера условные.
График: по горизонтали глубина от 0 до 80 метров, по вертикали продукция от 0 до 8 миллиметров в год. Сплошная кривая для прозрачной воды держится около 8 до глубины примерно 20 метров, затем падает, проходит 4 миллиметра в год на глубине около 36 метров и почти обнуляется к 60 метрам. Штриховая кривая для мутной воды начинает падать уже после 5 метров, проходит 4 миллиметра в год на глубине около 15 метров и почти обнуляется к 25 метрам. Точки отмечают глубины половинной продукции.
Карбонатные зёрна и минералы
Названия зёрен — биокласты, ооиды, пелоиды, интракласты — и то, как по ним называют породу, разобраны в уроке о классификации осадочных пород. Здесь важно другое: где каждое зерно рождается и из какого минерала оно сложено. Первое говорит об обстановке, второе — о том, что произойдёт с зерном после захоронения.
- Зёрна
- Кораллы (современные)
- Где образуются
- рифы тёплых мелких морей
- Минерал
- арагонит
- Зёрна
- Известковые зелёные водоросли
- Где образуются
- лагуны и отмели; распадаясь, дают известковый ил
- Минерал
- арагонит
- Зёрна
- Брюхоногие и многие двустворчатые моллюски
- Где образуются
- почти любое мелководье
- Минерал
- арагонит, у части двустворок — кальцит
- Зёрна
- Иглокожие, красные водоросли, многие бентосные фораминиферы
- Где образуются
- шельф, рифы
- Минерал
- магнезиальный кальцит
- Зёрна
- Брахиоподы
- Где образуются
- открытый шельф, особенно в палеозое
- Минерал
- маломагнезиальный кальцит
- Зёрна
- Планктонные фораминиферы, кокколиты
- Где образуются
- открытый океан
- Минерал
- маломагнезиальный кальцит
- Зёрна
- Ооиды
- Где образуются
- подвижные отмели глубиной до нескольких метров, где вода перенасыщена карбонатом
- Минерал
- современные — арагонит
- Зёрна
- Пелоиды, интракласты
- Где образуются
- лагуны, приливные равнины
- Минерал
- минерал исходного ила
| Зёрна | Где образуются | Минерал |
|---|---|---|
| Кораллы (современные) | рифы тёплых мелких морей | арагонит |
| Известковые зелёные водоросли | лагуны и отмели; распадаясь, дают известковый ил | арагонит |
| Брюхоногие и многие двустворчатые моллюски | почти любое мелководье | арагонит, у части двустворок — кальцит |
| Иглокожие, красные водоросли, многие бентосные фораминиферы | шельф, рифы | магнезиальный кальцит |
| Брахиоподы | открытый шельф, особенно в палеозое | маломагнезиальный кальцит |
| Планктонные фораминиферы, кокколиты | открытый океан | маломагнезиальный кальцит |
| Ооиды | подвижные отмели глубиной до нескольких метров, где вода перенасыщена карбонатом | современные — арагонит |
| Пелоиды, интракласты | лагуны, приливные равнины | минерал исходного ила |
Современный состав. В прошлом строители рифов были другими: в девоне — строматопороидеи, табуляты и ругозы, в карбоне — мшанки, губки, водоросли и микробные сообщества; ооиды в отдельные эпохи образовывались кальцитовыми.
- Минерал
- Арагонит
- Состав и плотность
- CaCO₃ с ромбической решёткой; 2,93 г/см³
- Устойчивость
- неустойчив у поверхности: растворяется первым или перекристаллизуется в кальцит
- Минерал
- Магнезиальный кальцит
- Состав и плотность
- кальцит, в решётке которого больше 4 мол. % MgCO₃ (обычно 10–20)
- Устойчивость
- неустойчив: теряет магний и переходит в маломагнезиальный кальцит
- Минерал
- Маломагнезиальный кальцит
- Состав и плотность
- меньше 4 мол. % MgCO₃; 2,71 г/см³
- Устойчивость
- устойчив; из него состоят древние известняки
- Минерал
- Доломит
- Состав и плотность
- CaMg(CO₃)₂; 2,84–2,87 г/см³
- Устойчивость
- устойчив; в древних породах в основном вторичный — заместил известняк
| Минерал | Состав и плотность | Устойчивость |
|---|---|---|
| Арагонит | CaCO₃ с ромбической решёткой; 2,93 г/см³ | неустойчив у поверхности: растворяется первым или перекристаллизуется в кальцит |
| Магнезиальный кальцит | кальцит, в решётке которого больше 4 мол. % MgCO₃ (обычно 10–20) | неустойчив: теряет магний и переходит в маломагнезиальный кальцит |
| Маломагнезиальный кальцит | меньше 4 мол. % MgCO₃; 2,71 г/см³ | устойчив; из него состоят древние известняки |
| Доломит | CaMg(CO₃)₂; 2,84–2,87 г/см³ | устойчив; в древних породах в основном вторичный — заместил известняк |
Плотности — справочные, округлённые. Арагонит и кальцит — одно вещество с разными кристаллическими решётками (минерал и порода).
Различия в устойчивости определяют судьбу пор. Когда отмель или риф осушаются при падении уровня моря и в осадок проникает пресная подземная вода, арагонитовые зёрна растворяются первыми и оставляют пустоты по своей форме, а растворённый карбонат выпадает рядом в виде кальцитового цемента. Магнезиальный кальцит теряет магний, сохраняя форму зерна; маломагнезиальный кальцит почти не меняется. Поэтому два одинаковых по структуре известняка из зёрен разного минерала после диагенеза могут иметь совсем разные поры (диагенез); количественный пример — в разделе о порах.
Растворимость карбонатов имеет и второе следствие: карбонатный осадок цементируется рано — нередко ещё на морском дне или вскоре после осушения — и рано становится жёстким. Поэтому карбонаты держат крутые склоны и полости рифового каркаса, но при последующих деформациях ломаются хрупко, давая трещины.
Обстановки: от себхи до бассейна
Карбонатное мелководье обычно окаймлено поясами обстановок, вытянутыми вдоль его края. От суши к открытому морю их проходят в таком порядке (рисунок — в следующем разделе):
- Себха и приливная равнина (sabkha, tidal flat)
- низкий берег, который затапливают приливы и штормы и осушают отливы. Тонкий известковый ил слоями нарастает на микробных матах, при осушении трескается, между слойками остаются пустоты — фенестры (fenestrae). Равнину рассекают приливные каналы с более грубым заполнением. Выше уровня приливов, на себхе жаркого побережья, в осадке растут кристаллы гипса и ангидрита, а ил нередко рано доломитизируется. Коллекторами бывают разве что заполнения каналов и пористые доломиты; эвапориты здесь — покрышки.
- Лагуна (lagoon)
- тихая вода за барьером рифов или отмелей. Копится ил с пелоидами, раковинами и водорослями, роющие организмы его перемешивают; при затруднённом обмене с морем солёность меняется, и фауна беднеет. Обычные породы — мадстоуны и вакстоуны: первичные поры мелкие, проницаемость низкая, если её не создали растворение или доломитизация.
- Отмели и бары (shoals)
- самая подвижная вода: волны и приливные течения перекатывают ооиды и обломки раковин и вымывают ил. Остаются косослоистые грейнстоуны с межзерновыми порами — лучшие первичные коллекторы, если их не закрыл ранний цемент. Отмель мигрирует, и в разрезе её вершина ложится на её же склон: снизу вверх ил с зёрнами сменяется всё более чистым и грубым песком (огрубление вверх).
- Риф и борт платформы (reef, platform margin)
- организмы строят жёсткий каркас, выдерживающий волны; между его элементами и в полостях остаются пустоты, которые частично заполняются осадком и ранним цементом. Породы — баундстоуны, а за рифом — обломочные пески зарифовой зоны. Коллекторы сложные: каркасные и внутризерновые поры, каверны растворения — и тут же ранний цемент, закрывший часть пор.
- Склон (slope)
- откос перед бортом: обломки рифа и песок сползают и скатываются вниз, образуя брекчии и мегабрекчии, отложения грязекаменных и зерновых потоков и турбидиты. Крутизна зависит от материала: илистые склоны пологие, а склоны из обломков, скреплённые ранним цементом, держат десятки градусов. Обломочные шлейфы бывают хорошими коллекторами.
- Бассейн (basin)
- в глубокой спокойной воде оседают известковый ил из планктона, мергели и глины. Там, где у дна нет кислорода, накапливаются тёмные глины, богатые органическим веществом, — нефтематеринские породы того же возраста, что и платформы на бортах бассейна (Нефтематеринские породы, созревание и миграция).
Карбонатный песок подчиняется тем же законам гидравлики, что и кварцевый: течения строят дюны и рябь, волны — волновую рябь, мутьевые потоки откладывают на склонах градационные слои (Первичные осадочные текстуры). Текстуры поэтому читают так же. С размером зёрен осторожнее: обломки раковин легче и площе кварцевых зёрен того же размера и переносятся иначе, поэтому об энергии воды надёжнее судить по тому, сохранился ли между зёрнами ил (классы Данхема).
Рампа, окаймлённый шельф и изолированная платформа
Карбонатная платформа (carbonate platform) — мощное тело мелководных карбонатов с плоской вершиной. По тому, как вершина переходит в глубокое море, различают три главных типа.
- Рампа (ramp)
- дно плавно опускается от берега в бассейн, обычно меньше чем на градус, без резкого перегиба. Пояса выделяют по волнам: внутренняя рампа — выше базиса обычных волн (отмели, пляжи и лагуны за ними), средняя — между базисами обычных и штормовых волн (штормовые слои среди ила), внешняя — ниже штормового базиса (ил, мергели). Пояса широкие, рифы — отдельные холмы.
- Окаймлённый шельф (rimmed shelf)
- плоская мелководная вершина с бортом из рифов или оолитовых отмелей на перегибе; за бортом — лагуна и приливные равнины, перед ним — крутой склон в бассейн глубиной в сотни метров. Борт гасит волны, поэтому за ним спокойно.
- Изолированная платформа (isolated platform)
- мелководье, со всех сторон окружённое глубокой водой; борта из рифов и отмелей — и с наветренной, и с подветренной стороны, внутри — лагуна. Крупные кольцевые постройки называют атоллами — по сходству с современными атоллами, которые растут на погружающихся вулканах, хотя древние постройки росли и на других поднятиях дна.
Две схемы друг под другом. Вверху рампа: дно полого опускается слева направо; горизонтальные штриховые линии отмечают базис обычных волн и базис штормовых волн; над профилем подписаны внутренняя рампа с отмелями и лагуной, средняя рампа со штормовыми слоями и внешняя рампа с илом, справа — бассейн. Внизу окаймлённый шельф: слева приливная равнина и лагуна на плоской мелководной вершине, на краю — бугор рифа и отмелей, за ним крутой склон с обломочным шлейфом у подножия, справа — глубокий бассейн.
Чем положе дно, тем шире каждый пояс глубин. Это простая геометрия: дно с уклоном углубляется на на расстоянии .
- Базисы обычных и штормовых волн
- 28 и 78 м (пример урока о текстурах: волны с периодами 6 и 10 с)
- Уклон дна
- рампа 0,1° и 0,5°; склон перед бортом окаймлённого шельфа 25°
- Перепад глубин пояса: м.
- Рампа с уклоном 0,1°: м, то есть около 28,6 км; при уклоне 0,5° — м, около 5,7 км.
- Склон 25°: м.
Что это значит. На рампе небольшое колебание уровня моря сдвигает пояса на километры, а одна фация прослеживается на большой площади — удобно для корреляции и разработки. У окаймлённого шельфа лучшие коллекторы — рифы и отмели борта — образуют узкую полосу шириной обычно от сотен метров до нескольких километров, и скважина легко её пропускает; её ищут по сейсмическим данным — по холмам, крутым наклонным слоям склона и смене рисунка отражений (Интерпретация сейсмических разрезов). Базисы волн условные: действительные глубины зависят от высоты волн и размера зёрен (базис волн). Данные примера условные.
Платформа меняется во времени. Когда осадка производится больше, чем создаётся места для него, борт наступает на бассейн (проградация); когда уровень моря растёт быстрее — борт наращивается вверх или отступает к суше (пространство для осадков). Рампа может превратиться в окаймлённый шельф, если у края её мелководья разрастаются рифы или отмели: они создают перегиб дна и крутой склон перед ним.
Поры карбонатов: классификация Шокетта — Прея
В песчанике почти все поры — промежутки между зёрнами, и их размер следует за размером зёрен. В карбонатах поры бывают внутри раковин, между кристаллами, на месте растворённых зёрен, в трещинах и пещерах, а большая часть пустот преобразована после отложения. Поэтому их описывают своей схемой — классификацией Шокетта — Прея (Choquette–Pray classification). Её главный вопрос: связана ли форма поры со структурой породы — зёрнами, кристаллами, каркасом организмов?
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- межзерновые (interparticle)
- Как возникает
- промежутки между зёрнами
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- внутризерновые (intraparticle)
- Как возникает
- полости раковин, камеры фораминифер, поры скелетов
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- межкристаллические (intercrystal)
- Как возникает
- промежутки между кристаллами, чаще доломита
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- поры-отпечатки (moldic)
- Как возникает
- на месте растворённых зёрен, часто арагонитовых
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- фенестры (fenestral)
- Как возникает
- пустоты между слойками ила приливных равнин
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- поры укрытия (shelter)
- Как возникает
- под плоскими раковинами, куда не попал ил
- Группа
- избирательные
- Тип пор
- каркасные (growth-framework)
- Как возникает
- между элементами растущего каркаса рифа
- Группа
- неизбирательные
- Тип пор
- трещины (fracture)
- Как возникает
- раскалывание жёсткой породы
- Группа
- неизбирательные
- Тип пор
- каналы, каверны, пещеры (channel, vug, cavern)
- Как возникает
- растворение, секущее зёрна и цемент; пещеры — размером с человека и больше
- Группа
- смешанные
- Тип пор
- брекчиевые, сверления, ходы, усадочные (breccia, boring, burrow, shrinkage)
- Как возникает
- следуют структуре или секут её — в зависимости от случая
| Группа | Тип пор | Как возникает |
|---|---|---|
| избирательные | межзерновые (interparticle) | промежутки между зёрнами |
| избирательные | внутризерновые (intraparticle) | полости раковин, камеры фораминифер, поры скелетов |
| избирательные | межкристаллические (intercrystal) | промежутки между кристаллами, чаще доломита |
| избирательные | поры-отпечатки (moldic) | на месте растворённых зёрен, часто арагонитовых |
| избирательные | фенестры (fenestral) | пустоты между слойками ила приливных равнин |
| избирательные | поры укрытия (shelter) | под плоскими раковинами, куда не попал ил |
| избирательные | каркасные (growth-framework) | между элементами растущего каркаса рифа |
| неизбирательные | трещины (fracture) | раскалывание жёсткой породы |
| неизбирательные | каналы, каверны, пещеры (channel, vug, cavern) | растворение, секущее зёрна и цемент; пещеры — размером с человека и больше |
| смешанные | брекчиевые, сверления, ходы, усадочные (breccia, boring, burrow, shrinkage) | следуют структуре или секут её — в зависимости от случая |
Избирательные по структуре (fabric selective), неизбирательные (not fabric selective) и смешанные. По размеру поры делят на микропоры (мельче 1/16 мм), мезопоры (1/16–4 мм) и мегапоры (4–256 мм); по времени — на первичные, возникшие до и во время отложения, и вторичные.
Восемь квадратных схем в два ряда. Межзерновые: соприкасающиеся зёрна и голубые промежутки между ними. Внутризерновые: створка раковины с голубой полостью внутри среди зёрен. Межкристаллические: ромбоэдры доломита с голубыми промежутками. Поры-отпечатки: округлые голубые пустоты на месте зёрен в сплошном сером цементе. Фенестры: слоистый серый ил с вытянутыми неровными голубыми пустотами вдоль слойков. Поры укрытия: плоская раковина, под ней голубая пустота, вокруг ил. Каверна: крупная неровная голубая полость, секущая зёрна и цемент. Трещины: серая плотная порода, пересечённая голубыми линиями. Рамки первых шести схем одного цвета — избирательные по структуре, двух последних — другого цвета.
Различие практическое. Избирательные поры следуют за первичной структурой, а значит, за фацией: межзерновые — в грейнстоунах отмелей, каркасные и внутризерновые — в рифах, фенестры — в отложениях приливных равнин, межкристаллические — в доломитизированных илах. Их распределение прогнозируют по фациальной карте. Неизбирательные поры следуют за более поздними событиями — изгибом пластов и разломами (трещины, Трещины и трещиноватые коллекторы), осушением и растворением под поверхностями несогласий (каверны, каналы, пещеры) — и их прогнозируют по структурной и диагенетической истории.
Доломитизация и карст. Доломит в древних породах в основном вторичный: магний приносят рассолы лагун и себх или пластовые воды, и доломит замещает кальцит. При замещении «моль на моль» объём твёрдой фазы уменьшился бы примерно на 13 % (молярный объём), но это предельный случай: часто доломит замещает известняк почти «объём на объём», за счёт привнесённого карбоната, и пористость доломита во многом унаследована от исходной породы. Доломиты нередко пористее известняков на той же глубине и потому, что лучше сопротивляются уплотнению и растворению под давлением; размер их межкристаллических пор растёт с размером кристаллов. Но избыточный доломит, разрастающийся в порах, и ангидритовый цемент пористость уничтожают. Карст — растворение карбонатов пресной водой, когда платформа осушена: возникают каверны, каналы, пещеры, брекчии обрушения и расширенные растворением трещины, сосредоточенные под поверхностями несогласий. Карстовые пустоты дают очень высокую проницаемость, а при бурении — поглощения раствора и провалы инструмента. Подробнее о том и другом — в теме о диагенезе.
- Оолитовый грейнстоун до диагенеза
- межзерновая пористость 42 %, зёрна — 58 % объёма породы
- Состав зёрен
- половина объёма — арагонитовые ооиды, половина — кальцитовые обломки
- Что происходит
- арагонит растворяется полностью; весь растворённый карбонат выпадает рядом как кальцитовый цемент в межзерновых порах (закрытая система)
- Справочные данные
- плотность арагонита 2,93, кальцита 2,71 г/см³; г/моль
- Молярные объёмы: арагонит см³/моль, кальцит см³/моль; из 1 м³ арагонита получается м³ кальцита.
- Пустоты на месте ооидов: объёма породы.
- Цемент: ; межзерновых пор остаётся .
- Общая пористость: , то есть 39,7 % вместо 42 %; около 73 % её — разобщённые поры-отпечатки, которые сообщаются только через оставшиеся межзерновые поры.
- Проницаемость определяет сеть межзерновых пор. Если размер зёрен прежний, то по модели Козени — Кармана и : проницаемость падает примерно в 140 раз.
Что это значит. Порода перераспределила свои пустоты: промежутки между зёрнами заполнились цементом, а поры появились на месте зёрен, где они почти не сообщаются друг с другом. Оценка проницаемости держится на допущении, что она следует за межзерновой пористостью по модели Козени — Кармана при прежнем размере зёрен, и оптимистична: цемент сужает прежде всего поровые горловины, и на деле проницаемость обычно падает ещё сильнее. На плотностном и нейтронном каротаже такая порода выглядит хорошим коллектором, но акустический каротаж таких пустот почти не видит (вторичная пористость), а показатель цементации в уравнении Арчи у неё заметно больше 2 (параметр пористости). Если растворённый карбонат уносят подземные воды (открытая система), цемента меньше и пористость растёт. Данные примера условные.
Две горизонтальные полосы, разделённые на доли. «До»: кальцитовые зёрна 29 процентов, арагонитовые ооиды 29 процентов, межзерновые поры 42 процента. «После»: кальцитовые зёрна 29 процентов, поры-отпечатки на месте ооидов 29 процентов, кальцитовый цемент 31 процент, межзерновые поры 11 процентов. Общая пористость уменьшилась с 42 до 40 процентов, но связанные поры между зёрнами сократились почти вчетверо.
Что тип пор значит для проницаемости, каротажа и насыщенности
Проницаемость определяют размер поровых горловин и связность пор, а не их общий объём. Для петрофизики карбонатов удобно различать межчастичные поры — между зёрнами или кристаллами и не намного крупнее их — и каверновые, то есть все остальные: внутри зёрен или заметно крупнее их. Каверны, в свою очередь, бывают разобщёнными — связанными друг с другом только через межчастичные поры (поры-отпечатки, полости раковин, изолированные каверны) — и сообщающимися, образующими собственную сеть (трещины, каналы и каверны растворения, пещеры, брекчии). На этом делении построена петрофизическая классификация карбонатов — классификация Лусиа (Lucia).
В породах без каверн проницаемость зависит от межчастичной пористости и от размера частиц: чем крупнее зёрна или кристаллы, тем шире горловины (модель Козени — Кармана, при той же пористости ). Поэтому при одинаковой межчастичной пористости грейнстоуны и крупнокристаллические доломиты (кристаллы крупнее примерно 100 мкм) проницаемее пакстоунов, в которых между зёрнами есть ил, и среднекристаллических доломитов (20–100 мкм), а те — пород с илистым каркасом и тонкокристаллических доломитов (мельче 20 мкм). Внутри каждой группы связь пористости и проницаемости довольно тесная, а между группами при той же пористости проницаемость различается на порядки.
- Поры
- межчастичные — между зёрнами и кристаллами
- Проницаемость
- растёт с размером частиц и межчастичной пористостью
- Каротаж и насыщенность
- методы пористости согласуются; около 2
- Поры
- разобщённые каверны: отпечатки, полости раковин
- Проницаемость
- добавляют пористость, почти не добавляя проницаемости
- Каротаж и насыщенность
- акустический каротаж их почти не видит; больше 2
- Поры
- сообщающиеся: трещины, каналы, каверны растворения
- Проницаемость
- очень высокая при малой пористости
- Каротаж и насыщенность
- ближе к 1; ранние прорывы воды и газа, поглощения при бурении
- Поры
- микропоры в иле и мелу
- Проницаемость
- низкая при высокой пористости
- Каротаж и насыщенность
- много остаточной воды: высокая водонасыщенность по каротажу при безводных притоках
| Поры | Проницаемость | Каротаж и насыщенность |
|---|---|---|
| межчастичные — между зёрнами и кристаллами | растёт с размером частиц и межчастичной пористостью | методы пористости согласуются; около 2 |
| разобщённые каверны: отпечатки, полости раковин | добавляют пористость, почти не добавляя проницаемости | акустический каротаж их почти не видит; больше 2 |
| сообщающиеся: трещины, каналы, каверны растворения | очень высокая при малой пористости | ближе к 1; ранние прорывы воды и газа, поглощения при бурении |
| микропоры в иле и мелу | низкая при высокой пористости | много остаточной воды: высокая водонасыщенность по каротажу при безводных притоках |
Значения показателя цементации — в уроке о параметре пористости, оценка объёма каверн — в уроке об акустической пористости.
Важен и масштаб. Стандартный образец керна диаметром 2,5–3,8 см не вмещает крупных каверн и редко пересекает трещины, поэтому кавернозные и трещиноватые интервалы исследуют на полноразмерном керне, а проницаемость пласта в целом проверяют испытаниями скважин (что даёт керн). Карбонаты чаще песчаников бывают гидрофобными или со смешанной смачиваемостью, что сказывается на вытеснении нефти водой (Смачиваемость и межфазные явления). А соляная кислота растворяет саму породу — на этом основаны кислотные обработки карбонатных пластов (Кислотные обработки: принцип, экономика и выбор скважин).
Подсолевые карбонатные постройки Прикаспия
Крупнейшие месторождения Казахстана — Тенгиз, Кашаган и Карачаганак — находятся в карбонатах подсолевого этажа Прикаспийской впадины. От позднего девона до ранней перми на бортах глубокого бассейна росли карбонатные платформы и постройки, а в его центре накапливались тонкие глубоководные чёрные глины — главные нефтематеринские породы; позже всё это перекрыла соль кунгурского яруса (как возникла впадина, соль и два этажа). По опубликованным данным, обобщённым в начале 2000-х годов, на разных бортах постройки устроены по-разному.
- Северный и западный борта. Три мощные карбонатные толщи верхнего девона — нижней перми, каждая с полосой барьерных рифов по краю, которые в сторону бассейна переходят в тонкие глубоководные чёрные глины; известны и наступание этих толщ на бассейн, и отступание более молодых рифов. Мористее барьерных рифов найдены лишь отдельные постройки; в одной из них — Карачаганак, газоконденсатное месторождение с нефтью в постройке типа атолла верхнего девона — карбона и в выросшем над ней нижнепермском одиночном рифе (pinnacle reef). Месторождение открыто в 1979 году, его площадь — больше 280 км².
- Южный борт, зона Каратон — Тенгиз. Атоллы высотой во много сотен метров из карбонатов от верхнего девона до башкирского яруса среднего карбона; за их пределами карбонаты переходят в глубоководные отложения бассейна. Вершины атоллов с несогласием перекрыты тонкими нижнепермскими чёрными глинами, отложившимися на погрузившихся поднятиях ниже глубины, на которой ещё рождался карбонат: к тому времени постройки перестали расти (несогласия). Тенгиз открыт в 1979 году: первая скважина получила нефть из подсолевых отложений с глубины 4045–4095 м; размеры залежи в плане — около 20 на 21 км.
- Кашаган — постройка того же типа под мелководьем Северного Каспия, примерно в 80 км от Атырау, где глубина моря 3–4 м; коллектор залегает на глубине около 4,2 км и находится под высоким давлением. Нефть в первой скважине получена в 2000 году; по оценке начала 2000-х годов, по площади постройка почти втрое больше тенгизской.
Пористость этих построек распределена неравномерно и создана в основном растворением, которое лучше всего развито в рифовых породах. На Тенгизе, по тем же данным, пористость меняется от нескольких процентов до 20 % и в среднем по атоллу составляет около 6 %; большая её часть — каверны, а первичные поры дают не больше 2–3 %. Пористость выше 10 % приурочена к кольцевой зоне рифового ядра по краю атолла, а на склонах и в центральной лагуне она заметно ниже. Проницаемость контролируют в основном трещины, и по образцам керна она меняется от единиц до сотен миллидарси. На Карачаганаке кавернозные пористые рифовые известняки и доломиты имеют пористость в среднем 10–14 %, а соседние внутрилагунные фации — обычно 6–10 % и меньше.
Здесь сходится всё сказанное выше: где лежат лучшие коллекторы, определяет обстановка (борт против лагуны), сколько в них пор — растворение, а как быстро флюид идёт к скважине — трещины. Поэтому модели таких залежей строят по фациям, типам пор и трещиноватости, а не по средней пористости. Флюиды этих месторождений содержат много сероводорода (Состав пластовых флюидов), а начальное давление в подсолевых пластах Тенгиза и Кашагана примерно вдвое выше гидростатического (Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание).
Термины и обозначения
- Карбонатная фабрика
- сообщество организмов и условия, в которых рождается карбонатный осадок; её продукция зависит от света, глубины, температуры и чистоты воды.
- Фотическая зона
- слой воды, куда доходит не меньше 1 % поверхностного света; .
- Арагонит, магнезиальный и маломагнезиальный кальцит
- минералы скелетов и осадков; первые два неустойчивы и после отложения растворяются или перекристаллизуются, третий устойчив.
- Органогенная постройка, риф, атолл
- тело, выросшее за счёт организмов; риф — постройка с жёстким каркасом, атолл — кольцевая постройка вокруг лагуны.
- Рампа
- платформа с пологим, обычно меньше градуса, уклоном дна без резкого перегиба; пояса выделяют по базисам волн.
- Окаймлённый шельф
- платформа с бортом из рифов или отмелей на перегибе, лагуной за ним и крутым склоном перед ним.
- Изолированная платформа
- мелководная платформа, со всех сторон окружённая глубокой водой.
- Себха
- засоленная прибрежная равнина жаркого климата выше уровня приливов, где в осадке растут гипс и ангидрит.
- Фенестры
- пустоты между слойками ила приливных равнин; избирательные по структуре поры.
- Классификация Шокетта — Прея
- деление пор карбонатов на избирательные по структуре, неизбирательные и смешанные.
- Поры-отпечатки
- пустоты на месте растворённых зёрен, чаще всего арагонитовых.
- Разобщённые и сообщающиеся каверны
- каверны, связанные между собой только через межчастичные поры, и каверны, образующие собственную сеть.
- Глубина карбонатной компенсации (CCD)
- глубина океана, ниже которой карбонат растворяется быстрее, чем поступает; сейчас около 4–5 км.
- Доломитизация, карст
- замещение кальцита доломитом и растворение карбонатов пресной водой при осушении.
Частые ошибки и заблуждения
«Известняки осаждаются из морской воды, как соль из рассола».
Почти весь карбонат мелководья — скелеты организмов, их обломки и ил, выделенный водорослями и микробами. Поэтому карбонатная фабрика зависит от света, тепла и чистоты воды, а не только от химии.
«Пористость карбоната высокая — значит, и проницаемость высокая».
Поры-отпечатки и разобщённые каверны добавляют пористость почти без проницаемости, микропоры ила дают высокую пористость при низкой проницаемости. Проницаемость определяют размер частиц, межчастичные поры и связность пустот.
«Доломит всегда лучше известняка».
Доломитизация может создать межкристаллические поры, но избыточный доломит, разросшийся в порах, и ангидритовый цемент их уничтожают. Качество доломита зависит от размера кристаллов и истории.
«Керн плотный — значит, и пласт плотный».
Образцы керна не вмещают крупных каверн и редко пересекают трещины, а именно они часто определяют приток. Проницаемость пласта проверяют на полноразмерном керне и испытаниями скважин.
«Риф — это вся платформа».
Риф — узкий борт или отдельные постройки; за ним лежат лагуна и приливные равнины с совсем другими породами и порами. Скважина в центре платформы может не встретить ни одного рифового коллектора.
Подробно: для продвинутых
Успеет ли постройка за уровнем моря
Если относительный уровень моря растёт со скоростью — это скорость создания пространства для осадков (погружение дна плюс подъём уровня океана), — глубина воды над вершиной постройки меняется как разность подъёма уровня и наращивания:
- глубина воды над вершиной постройки, м
- время, годы
- скорость относительного подъёма уровня моря, мм/год
- продукция карбоната на глубине (уравнение выше), мм/год
Единицы: , и — в мм/год (1 мм/год = 1000 м за миллион лет), — в метрах
- вся продукция остаётся на вершине; вынос осадка и разрушение уменьшают ;
- постоянна; на деле уровень моря колеблется с разными периодами.
Пока , вершина догоняет уровень моря и в конце концов держится у поверхности. Глубина , на которой , — точка неустойчивого равновесия: вершина, оказавшаяся глубже неё, отстаёт всё сильнее, продукция падает, и постройка «тонет». Если больше наибольшей продукции, утонет любая постройка. В англоязычной литературе говорят о платформах, которые успевают за уровнем моря (keep-up), догоняют его (catch-up) и сдаются (give-up).
- Риф из примера о фабрике
- = 8 мм/год, = 10
- Подъём уровня моря
- 2 мм/год; для сравнения — 10 мм/год
- Вода
- прозрачная ( = 0,08 1/м) и мутная (0,2 1/м)
- Условие : , отсюда и .
- Прозрачная вода: м; мутная: м.
- При подъёме 10 мм/год продукция меньше подъёма на любой глубине ( мм/год): равновесной глубины нет.
Что это значит. Быстрый подъём уровня или помутнение воды, опускающее кривую продукции, может «утопить» платформу, хотя в среднем карбонатные фабрики производят осадок намного быстрее, чем обычно погружается дно. Утонувшая вершина перестаёт расти, и на ней накапливаются глубоководные осадки — так перекрыты, например, вершины атоллов зоны Каратон — Тенгиз. Модель не говорит, почему остановилась конкретная постройка: рост останавливают и похолодание, и избыток питательных веществ, и обломочный материал. Данные примера условные.
Связь с другими темами
- Осадочные породы и их классификация — названия карбонатных пород по Данхему и Фолку.
- Минералы и горные породы — кальцит, доломит и молярный объём при замещении минералов.
- Фации, фациальные последовательности и литологические колонки — фациальные последовательности, в том числе циклы обмеления.
- Пористость — общая и открытая пористость, первичные и вторичные поры.
- Проницаемость горных пород — почему проницаемость растёт как квадрат размера частиц.
- Пористость по акустическому каротажу — как по сравнению методов оценивают объём каверн.
- Уравнение Арчи и насыщенность чистых коллекторов — показатель цементации пород с кавернами и трещинами.
- Трещины и трещиноватые коллекторы — природные трещины и трещиноватые коллекторы.
- Складки, соляные диапиры и их связь с разломами — кунгурская соль и подсолевой этаж Прикаспийской впадины.
- Тектоника плит и осадочные бассейны — как возникла Прикаспийская впадина.
- Кислотные обработки: принцип, экономика и выбор скважин — кислотные обработки карбонатных пластов.
- Диагенез: уплотнение, цементация и растворение — растворение, цементация и доломитизация после захоронения.
Проверьте себя
- 1
Риф растёт в воде с коэффициентом ослабления света 0,05 1/м. На какой глубине освещённость падает до 1 % поверхностной?
- А.Около 460 м
- Б.Около 92 м
- В.Около 9 м
- Г.Около 46 м
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Около 92 м
м. На 46 м остаётся 10 % света (). В мутной воде с 1/м та же граница поднялась бы до 23 м.
- 2
В шлифе на месте ооидов — округлые пустоты, а промежутки между ними заполнены прозрачным кальцитом. Как назвать эти поры и чего ждать от проницаемости?
- А.Фенестры; проницаемость средняя
- Б.Межзерновые поры; проницаемость высокая
- В.Каверны, неизбирательные; проницаемость высокая
- Г.Поры-отпечатки, избирательные по структуре; проницаемость низкая при заметной пористости
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Поры-отпечатки, избирательные по структуре; проницаемость низкая при заметной пористости
Пустоты повторяют форму растворённых зёрен — это поры-отпечатки, избирательные по структуре. Сообщаются они только через межзерновые поры, а те заполнены цементом, поэтому пористость может быть высокой, а проницаемость — низкой, как в примере урока.
- 3
Полоса глубин от 10 до 50 м лежит на рампе с уклоном 0,2° и на склоне с уклоном 20°. Оцените ширину полосы в обоих случаях.
Показать ответ
м. Рампа: км. Склон: м — примерно в сто раз уже. Поэтому фации рампы прослеживаются на километры, а фации борта окаймлённого шельфа скважина легко пропускает.
- 4
Отмель из свежего карбонатного песка осушилась, и в неё проникла пресная вода. Какие зёрна растворятся первыми?
- А.Арагонитовые ооиды и раковины брюхоногих
- Б.Пластинки иглокожих (магнезиальный кальцит)
- В.Все одновременно
- Г.Обломки брахиопод (маломагнезиальный кальцит)
Показать ответ
Правильный ответ: А. Арагонитовые ооиды и раковины брюхоногих
Арагонит у поверхности неустойчив и растворяется первым, оставляя поры-отпечатки. Магнезиальный кальцит тоже неустойчив, но обычно теряет магний, сохраняя форму зерна; маломагнезиальный кальцит устойчив.
- 5
В известняке плотностной и нейтронный каротаж дают пористость 17 %, акустический — 8 %, а в шлифах видны отпечатки растворённых раковин. Что это говорит о проницаемости и о расчёте насыщенности?
Показать ответ
Около 9 единиц пористости приходится на разобщённые поры-отпечатки, которые акустический каротаж почти не видит. Проницаемость определяют межчастичные поры (около 8 %) и размер частиц, а не 17 %. Показатель цементации такой породы больше 2; если взять , водонасыщенность по уравнению Арчи будет занижена, а нефтенасыщенность — завышена.
- 6
Почему на атолле тенгизского типа пористость выше в кольцевой зоне по краю постройки, чем в её центре и на склонах?
Показать ответ
Край атолла — рифовое ядро: каркас организмов с первичными пустотами и грубые обломочные породы, в которых затем лучше всего развилось растворение, создавшее каверны. В центре — лагуна с илистыми породами и мелкими порами, на склонах — переотложенный материал. Поэтому лучшие коллекторы образуют кольцо по борту, а проницаемость во многом определяют трещины.
Обновлено: 15 октября 2026 г.