Геология, Физика нефтяного и газового пласта, Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика

1.1. Геологические процессы на поверхности и в недрах Земли. Общие сведения о минералах

Геологические процессы – это процессы, изменяющие состав, структуру, рельеф и глубинное строение земной коры. Геологическим процессам, за небольшим исключением, свойственны масштабность и большая длительность (до сотен млн лет); в сравнении с ними существование человечества – весьма краткий эпизод в жизни Земли.

Все геологические процессы, происходящие в недрах Земли и на её поверхности, подразделяются на эндогенные и экзогенные. Эндогенные геологические процессы происходят за счет внутренней энергии Земли. К эндогенным процессам относятся тектонические, магматические, пневматолито-гидротермальные и метаморфические.

Тектоническими называются процессы, под воздействием которых формируются тектонические структуры земной коры – горно-складчатые пояса, прогибы, впадины, глубинные разломы и т.д. Магматические процессы (магматизм) – это совокупность всех геологических процессов, связанных с деятельностью магмы и её производных. Магма – огненно-жидкая расплавленная масса, образующаяся в земной коре или верхней мантии и превращающаяся при застывании в магматические горные породы.

В особую группу выделяют гидротермальные процессы. Это процессы образования минералов в результате отложения их в трещинах или порах горных пород из гидротермальных растворов. Гидротермы – жидкие горячие водные растворы, циркулирующие в земной коре и участвующие в процессах перемещения и отложения минеральных веществ.

Метаморфизм – комплекс эндогенных процессов, обусловливающих изменения в структуре, минеральном и химическом составе горных пород в условиях высокого давления и температуры; плавления пород при этом не происходит.

Экзогенные процессы – геологические процессы, происходящие за счет внешних источников энергии, главным образом Солнца. Они происходят на поверхности Земли и в самых верхних частях литосферы. К экзогенным процессам относятся: 1) механическое дробление горных пород до составляющих их минеральных зерен, в основном под влиянием суточного перепада температуры воздуха и за счет морозного выветривания.   2) химическое взаимодействие минеральных зерен с водой, кислородом, углекислым газом и органическими соединениями, приводящее к образованию новых минералов – химическое выветривание; 3) процесс перемещения продуктов под действием силы тяжести, посредством движущихся воды, ледников и ветра в области осадконакопления; 4) накопление толщ осадков и преобразование их за счет уплотнения и обезвоживания в осадочные горные породы.

Минералы – природные химические соединения или простые вещества, образующиеся в земной коре или на её поверхности и обладающие определенными физико-химическими свойствами. Большинство минералов (98 %) – твердые тела, характеризующиеся упорядоченной или неупорядоченной структурой.

Вещества с упорядоченным строением называются кристаллическими, а с неупорядоченным – аморфными. Упорядоченность внутреннего строения кристаллического вещества проявляются в геометрически правильной форме, образованных им природных тел – кристаллов. Последние могут срастаться, образуя дендриты и друзы. Дендриты – срастания кристаллов наподобие ветвей дерева. Друза – группа сросшихся кристаллов, имеющих общее основание. Аморфные минералы часто встречаются в виде конкреций – округлых образований, возникающих в результате постепенного нарастания минералов от центра к периферии. Секреции образуются в результате заполнения минералом пустот от стенок к центру.

Кроме твердых, существуют также жидкие минералы (вода, ртуть) и газообразные (азот, кислород, углекислый газ). Минералами считают и химические соединения, попадающие на Землю в виде метеоритов. Условно к минералам относят также различные синтетические соединения, близкие по составу и структуре природным, так называемые «синтетические минералы» (искусственный алмаз, изумруд, кварц, корунд и т.д.).

1.2. Вулканизм. Условия образования вулканитов, классификация, представители. Метаморфизм горных пород. Образование осадочных пород

Вулканизм — совокупность явлений, связанных с образованием и перемещением магмы в глубинах Земли и её извержением на поверхность суши, дна морей иокеанов в виде лав, пирокластического материала и газов.

Основными вещественными элементами, создающимися в результате вулканической деятельности, являются потоки лавы и пирокластические слои. И те, и другие обычно участвуют в строении вулканов, которые образуются в результате центральных извержений, и вулканических плато, образующихся в результате трещинных излияний, и являютсястратифицированными образованиями.

Классификация (по Е.Ф. Малееву, 1980) стратифицированных вулканитов, т.е. эффузивных, вулканокластических и вулканогенно-осадочных пород может быть представлена в следующем виде:

1. Эффузивные –лавыи лавобрекчии.
2. Вулканокластические породы:эффузивно-обломочные– кластолавовые, лавокластитовые и гиалокластитовые; эксплозивно-обломочные (пирокластические) – туфы (или пирокластические без посторонних примесей), ксенотуфы (или пирокластические с примесью чуждого материала), ортотуффиты (или осадочно-вулканокластические).
3. Вулканогенно-осадочные породы:вулканокласто-осадочные,тефроидные и вулкано-терригенные.

Кроме вышеперечисленных вулканитов в строении вулкана могут принимать участиенестратифицированные (секущие) тела – дайки, силлы, лакколиты, купола и обелиски, некки (жерловые образования) и гипабиссальные интрузии.

На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушения горных пород). Глубже располагается зона цемента­ции. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются. Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие ки­лометры, располагается зона метаморфизма.

Магматические и осадочные горные породы в процессе свое­го существования и в результате процессов внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где темпера­тура, давление и химизм среды резко отличны от условий обра­зования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы кроме повышенного давления и температуры сильно воздейству­ют активные химические соединения, циркулирующие в земной коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, образуя минеральные парагенезисы. При метаморфизме интен­сивно изменяются первичный состав, строение и сложение по­род. В целом под метаморфизмом горных пород понимают сущест­венные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения. Достаточно редко, в особых усло­виях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.

Образование осадочных пород происходит различными путями. В пониженные участки, покрытые водой вследствие разрушения суши, заносятся обломки пород. Они отлагаются-на дне бассейна и дают начало породам, называемым обломочными.

Образование осадочных пород начинается с физического выветривания материнских пород, с образования обломков, поэтому обломочные породы как продукты начальной стадии дифференциации вещества помещены внутри циклограммы, а все остальные на окружности. Таким образом, центр циклограммы отвечает 100 % содержания обломочного компонента — чистая обломочная порода, а окружность — 100 % содержания хемобиогенных и биогенных компонентов — чистая хемобиогенная и биогенная порода.

Образование осадочных пород было обусловлено колебательными движениями земной коры, определяющими расположение областей сноса и накопление осадочного материала, а также его вещественный состав.

1.3. Глубинный магматизм. Условия образования плутонитов, классификация, основные представители

Вследствие различия в химическом составе магм и различных условий и сред, в которых происходило остывание и затвердевание магмы, образовывались магматические породы разного строения и свойств — глубинные и излившиеся (плотные и пористые).

Глубинные породы образовались в результате медленного и равномерного остывания магмы под большим давлением. Такие условия могли возникнуть в природе тогда, когда магма остывала и оставалась на большой глубине в земной коре. Эти условия благоприятствовали образованию в данной породе минералов с зернисто-кристаллической структурой, прочно сросшихся между собой без всякого цементирующего вещества (гранитноестроение). Характерным для этих пород является массивность залегания, высокая плотность, а следовательно, большая прочность при сжатии, малое водопоглощение, значительная морозостойкость и высокая теплопроводность.

Выделение минералов при застывании гранитной магмы происходит в строго определенной последовательности. Сначала образуются рудные минералы (магнетит, титанит), за ними следуют темноцветные компоненты (пироксен, роговая обманка ибиотит), далее полевые шпаты и позже их кварц. Минералы выделившиеся первыми, располагают свободным пространством для образования собственных кристаллических форм, тогда как последние «довольствуются» оставшимися промежутками между ранее образованными кристаллами. Именно поэтому кварц в гранитах обычно лишен присущей ему кристаллической формы.

Основные представители плутонитов — гранит, диорит, габбро, перидотит. Их плотность в этом ряду возрастает, а содержание кремнезема убывает. Гранит и липарит относят к кислым породам, диорит к средним, габбро к основным, а перидотит к ультроосновным. Содержание темных минералов в этом ряду увеличивается — цвет становится все темнее.

Излившиеся породы образовались в результате менее равномерного и более быстрого охлаждения магмы при относительно быстром и неравномерном сбросе давления или даже при атмосферном давлении. Такие условия могли возникнуть в случае, когда магма остывала, излившись в виде лавы на поверхность земли или близко к поверхности. В этих условиях охлаждения крупные кристаллические зерна образоваться не успевали и возникали другие генетические структуры: скрытокристаллическая, стекловатая (аморфная), порфировая. Для порфировой структуры характерно неоднородное строение, когда в аморфную или мелкокристаллическую массу включены крупные кристаллические соединения «вкрапленники», образовавшиеся в магме еще в глубинных слоях во время ее поднятия к поверхности земли.

Из сказанного видно, что из одной и той же магмы, но при различных условиях остывания могут образоваться глубинные и излившиеся породы (называемые аналогами), близкие по химическому составу, но отличающиеся друг от друга структурой и свойствами. В тех случаях, когда излившиеся породы образовались в большой толще, их строение и свойства сходны с глубинными породами. Если же образование излившихся пород происходило в сравнительно тонком слое и ближе к поверхности или на поверхности земли, то они имеют неоднородное, стекловатое и сравнительно пористое строение.

Разновидностью излившихся горных пород являются породы, образовавшиеся при извержении вулканов. В этом случае магма под большим давлением в виде раз дробленных частиц выбрасывалась в атмосферу и, увлекаемая газами, очень быстро охлаждалась и падала на поверхность земли в виде затвердевших частиц и кусков разной крупности, образуя обломочные рыхлые породы пористой и стекловатой структуры (вулканический пепел, песок, пемза). Некоторая часть этих рыхлых пород слеживалась, спекалась или перемешивалась с лавой, образуя цементированные вулканические породы мелко пористого строения (вулканические туфы, трассы, туфовую лаву).

1.4. Гидрогеологические свойства горных пород. Геологическая работа подземных вод и их свойства

Важнейшими свойствами горных пород в отношении к подземным водам являются их водопроницаемость и влагоемкость.
Водопроницаемость. Свойство породы пропускать сквозь себя воду, отнесенную к категории гравитационной, называется водопроницаемостью.
Последняя определяется наличием пустот в породе, т. е. пористостью у зернистых пород и скважистостью или трещиноватостью у пород массивных.
Водонепроницаемость представляет собой обратное свойство.
Под пористостью понимают сумму объемов пустот в породе. В зависимости от размера пор выделяют: крупные поры (не капилляры), диаметр которых превышает 1 мм; капилляры с диаметром отверстий от 0,5 до 1 мм; субкапилляры до 0,002 мм в диаметре.
Пористость определяется следующим методом: кусок породы взвешивают в воздушно-сухом состоянии; затем породу насыщают водой и снова взвешивают. Разница весов даст представление об объеме воды, заполнившей поры, а следовательно, и о пористости данной породы.

Геологическая работа подземных вод ярче всего проявляется в процессах карста, суффозии и образования оползней.

Карст – это совокупность геологических процессов, обусловленных растворением и размывом горных пород движущимися водами, и ведущих к образованию отрицательных форм рельефа на поверхности Земли и различных пустот на глубине. Среди водорастворимых горных пород можно назвать каменную и калийную соли, гипс, карбонатные породы. Хотя легче всего растворяются соли и гипс, но карстовые формы чаще всего связаны с гораздо шире распространенными карбонатными породами. Карстовые формы подразделяются на поверхностные (открытые) и подземные (закрытые). Вначале развивается поверхностный карст, мельчайшие формы которого называются карры – это борозды, рытвины и разной формы углубления, возникшие на обнажающейся поверхности растворимых горных пород. Карры образуются под действием атмосферных осадков. Поскольку карбонатные породы в большей или меньшей степени трещиноваты, разрастание карров сопровождается размывом и расширением трещин. Так образуются поноры – наклонные или вертикальные колодцы, по которым поверхностные воды уходят под землю. Дальнейшее развитие этих процессов ведет к возникновению карстовых воронок – обширных углублений, диаметром до 100 метров и больше, и глубиной до 20 метров. Если воронка образовалась благодаря слиянию карров и расширению верхней части понор, то склоны воронки будут пологими. При образовании карстовой воронки в результате обрушения свода подземной карстовой пустоты, склоны могут достигать значительной крутизны. Разрастание карстовых воронок или обрушение кровли крупной карстовой полости ведет к формированию карстовых котловин и польев, имеющих вид замкнутых понижений с плоским дном и крутыми склонами, высотой до нескольких сот метров. Расширение и углубление понор и трещин влечет образование карстовых колодцев, шахт и пропастей – наклонных или вертикальных форм, глубиной до километра и более. В результате поверхностного карста русло реки может нырнуть в понор или трещину – возникают слепые долины рек. Развитие подземного карста начинается, когда формы открытого карста позволят поверхностным водам проникать под землю, растворяя породы, перекрытые слоями нерастворимых отложений. Крупнейшими из подземных форм являются карстовые пещеры, возникающие как в горах, так и на равнинах. Пещеры представляют собой системы соединяющихся друг с другом наклонных и горизонтальных туннелей, часто располагающихся на нескольких вертикальных уровнях.

Аккумулятивная работа подземных вод в карстовых районах проявляется, в первую очередь, в образовании всевозможных натечных форм. Выпавшие на поверхность атмосферные осадки содержат много растворенного углекислого газа, поэтому, просачиваясь по трещинам, легко растворяют известняки и насыщаются бикарбонатом. После выхода воды на стенки или потолок пещеры, часть углекислоты испаряется, и бикарбонат переходит в карбонат кальция.