Гірські породи – Які бувають гірські породи?

Швидкість буріння свердловин на нафту та газ великою мірою залежить від твердості гірських порід.

Гірська порода – це твердий мінерал природного походження, що має певний склад і будову, що утворює в корі Землі різні за розмірами і формою тіла.

Фільтраційно-ємні властивості гірських порід дозволяють вміщувати і пропускати через себе рідину і гази.

Існує 3 групи гірських порід:

• осадові,
• метаморфічні,
• магматичні.

Поява осадових порід зумовлюється перетворенням в умовах термічної обробки поверхні земної кори опадів, які є продуктами руйнування найдавніших порід, виверження вулканів, а також життєдіяльність організмів і рослин.

Грязьові (глинисті) породи – клас дрібнозернистих силікокластичних осадових порід:

• алевроліт, аргіліт, аргіліт, сланець;
• більшість частинок, з яких складається камінь, мають розмір менше 0,0625 мм і занадто малі, щоб їх можна було легко вивчити у польових умовах;
• становлять 50% осадових порід, є найпоширенішими відкладеннями Землі:
  • дрібні відкладення є найбільш поширеним продуктом ерозії, і ці відкладення сприяють поширенню мулистих порід,
  • при підвищенні тиску з часом пластинчасті глинисті мінерали можуть вирівнятися з появою паралельних шарів (тріщинуватість) – цей тонкошаркуватий матеріал, що легко розщеплюється на тонкі шари, називається сланцем, на відміну від аргіліту,
  • відсутність розщеплення або шаруватості в аргілітах може бути пов’язана або з вихідною текстурою, або з порушенням шаруватості організмами, що закопуються в осад, до літифікації (перетворення всіх органічних і неорганічних відкладень у гірську породу).

Покриваюча гірська порода

Покриваючі породи є відносно непроникними пластами гірських порід, що закривають верхню частину резервуарів та інших геологічних утворень.

Покриваючі породи:

• зазвичай згадуються в контексті покриття нафтових та газових колекторів,
• можуть покривати пласти м’якших або менш стійких порід та соляних куполів.
• часто утворюються із сланцю, ангідриту або солі.

Коли гірська порода, яку важче зруйнувати (стійка до атмосферних впливів), лежить поверх породи, що легко руйнується (менш стійкою до атмосферних впливів), гірська порода зверху називається покриваючою породою.

Покривна порода в цьому випадку може захистити нижні шари від вивітрювання та ерозії.

В якості альтернативи порода, що покриває, може залишитися, в той час як більш тонкі нижні шари піддаються атмосферним впливам і руйнуються з-під неї.

Так утворюються пагорби, столові гори, уступи, але найбільш характерною рисою, що утворюється таким чином, є Худу (ерозійні кам’яні стовпи).

Резервуари нафтових та газових родовищ

Покриваючі породи утворюють верхню частину резервуарів і створюють шар, непроникний для потоку рідини, запобігаючи перебігу або витоку рідин через нього.

Особливо це стосується родовищ нафти та природного газу.

Поклади нафти та газу часто утворюються в пастках, які є частиною резервуару.

У всіх випадках порода, що покриває, перекриває породу-колектор, ізолюючи верхню частину пастки, а часто і бічні сторони.

Материнські породи зазвичай знаходяться глибше, ніж порода, що покриває, але не обов’язково безпосередньо під нею.

Соляний купол

Соляний купол – великі маси підземної солі з невеликою кількістю ангідриту (безводний сульфат кальцію, CaSO ₄ ).

Сіль зазвичай має меншу щільність, ніж навколишня порода, і за можливості пробивається вгору.

Це призводить до того, що соляні бані утворюють пробки або опуклості, оскільки вони намагаються пройти через слабкі місця у лежачому шарі гірських порід.

У міру того, як сіль рухається нагору і починає розчинятися, на вершині купола утворюється кам’яна шапка.

Ангідрит – це евапоритовий мінерал (водорозчинне осадове мінеральне відкладення), менш розчинний, ніж сіль.

Він вступає в реакцію з бактеріями та іншими речовинами в землі, перетворюючись на сірку, доломіт, вапняк та/або гіпс, всі з яких накопичуються, утворюючи кам’яну шапку.

Твердість Гірських порід

Твердість – характеристика міцності гірських порід.

Швидкість буріння свердловин на нафту та газ великою мірою залежить від твердості гірських порід.

Нерідко твердість порід визначається за шкалою Моосу, за якою в якості еталонів твердості обрано еталонних 10 мінералів.

Заснований на можливості більш жорсткого мінералу дряпати більш м’який.

Метод не точний і показує лише діапазон твердості.

Метод актуальний у польових умовах, коли потрібна груба ідентифікація мінералів.

Існує шкала Кнупа, яка також забезпечує зіставлення твердості.

Назва мінералів (матеріалів)	Твердість гірських порід
за шкалою Моосу	за шкалою Кнупа
Тальк	1	12
Гіпс	2	32
Вапняний шпат	3	135
Плавиковий шпат	4	160
Апатит	5	400
Скло	6	500
Кварц	7	1250
Топаз	8	1550
Корунд	9	1900
Карбід Вольфрама	9,5	2800
Алмаз	10	8300

Метод виміру шляхом вдавлювання спеціального пуансона (метод Шрейнера).

Твердість породи визначається за навантаженням на пуансон у момент її руйнування.

Кількісно твердість визначається ставленням руйнівної сили площі пуансона.

Під час навантаження пуансона щодо твердості породи реєструється навантаження і показується діаграма деформації.

За діаграмою визначають твердість рш, умовну межу плинності δт, коефіцієнт пластичності Кпл та питому контактну роботу руйнування As.

Гірська порода	Твердість р ш · 10 7 Па	Умовна межа плинності, δ т · 10 7 Па ,	Коефіцієнт пластичності, пл	Модуль пружності першого роду (модуль Юнга), Е · 10 10 Па	Питома контактна робота руйнування A s · 10 5 Дж/м 2
Гіпс	25-40	15-35	1,8-3,7	0,6-1,4	0,2-0,5
Аргіліт та глинисті сланці	20-75	15-40	1.3-3,3	0,5-0,9	0,3-0,4
Алевроліт з карбонатним базальним цементом
70-90	40-50	2,2-3,3	0,4-1,2	0,8-1,3
Мармур	95-130	65-70	2,2-3,0	3,5	1,3
Ангідрит	105-140	40-95	2,1-4,3	1,8-5,4	0,5-1,2
Вапняк щільний	110-200	50-110	1,7-2,8	2-5	0,7-2,8
Піщаник середньозернистий з карбонатним цементом	170-300	140-210	1,7-2,8	1,8-2,5	2,2-2,8
Доломіт щільний	250-320	150-220	2,5-4,5	5-8	1,7-3,4
Граніт (уральський)	300-370	220-300	1,4-1,9	4,1-5	2
Базальт	390	140	4,2	3,3	16,9
Діорит кварцовий (уральський)	410	340	1,4	4,5	2,5
Сієніт (уральський)	570	480	2,2	8,8	14,6
Діабаз (кільський)	630	500	1,5	10	5,1
Кварцит (карагандинський)	580-630	–	1,0	6,9-7,3	4-6
Роговик егіриновий (криворізький)	800	580	2,5	10	8,5
Джеспіліт	810	–	1,0	10	3,6

Існують інші методи визначення твердості: Брінеля, Роквелла, Шора, Віккерса.

Осадові гірські породи

Осадові породи – це геологічні утворення, які являють собою скупчення мінеральних і органогенних частинок у воді або субаеральних водоймах. Ці утворення складаються з уламків старих порід, а також нових мінералів, які утворилися на місці відкладення. Уламковий матеріал переноситься до басейнів відкладень вітром, водою та льодом. До осадових порід належать також продукти розбризкування лави під час вивержень (пірокластичні утворення).

Осадові породи поділяються на пухкі (неконсолідовані) і компактні. Наступний критерій поділу відноситься до природи первинних компонентів; це:

– компоненти крихти, що транспортуються волоком,

– компоненти глини, що транспортуються переважно у зваженому стані,

– хімічні компоненти, що транспортуються у вигляді розчинів.

Найбільшу групу осадових порід складають уламкові утворення, що складаються з уламків гірських порід, мінеральних зерен і біокластів. Залежно від розміру зерен розрізняють породи: псефітові (гравій, щебінь, конгломерати, брекчії), псамітові (піски, пісковики), алевритові (алевроліти, алевроліти) і пелітові (глини, аргіліти, сланці). Останні виділяються в окрему групу: глинисті породи.

Серед хімічних родовищ переважають карбонатні породи. Крім того, є залізисті, кремнисті, фосфатні, сульфатні та соляні породи. Окрему групу складають торф, буре і кам’яне вугілля.

Осадові породи використовувалися людиною з самого початку часів як будівельний камінь, керамічну або хімічну сировину та джерела енергії (нафта).

КРАСТОВІ ГІРСЬКІ ПОРОДИ

Гірські породи поділяються на:

– грубе зерно з розміром зерна вище 2 мм

– середнє зерно з розміром зерна 2-0,063 мм

– дрібне зерно з розміром зерна нижче 0,063 мм.

Пухкі крупнозернисті породи – це гравій і щебінь, що відрізняються овальним або гострокраїм контуром зерна. Після літифікації вони утворюють конгломерати і брекчії. Вони можуть бути однокомпонентними (олігоміктичні, наприклад, кварцові конгломерати) або складатися з багатьох компонентів (поліміктичні). Назви гравію та конгломератів часто вказують на їх походження, наприклад, льодовиковий гравій, річковий конгломерат тощо.

Пухкі середньозернисті породи — піски, літифіковані — пісковики. Основою сучасної класифікації пісковиків є таксономія Криніна (1948), заснована на проекції рівностороннього трикутника з кварцом, польовими шпатами і слюдами в його кутах. Нині ця діаграма має історичне значення, а класифікація пісковиків базується на трикутнику Р. Х. Дотта (1964), у кутах якого вписані кварц, польові шпати та уламки гірських порід. Склад в’яжучого пісковика визначається прикметником, наприклад, пісковики вапнякові, глауконітові, залізисті. Залежно від середовища осадження розрізняють річкові пісковики, флювіогляціальні пісковики, дюнні пісковики та ін Плащі пісковиків мають добрі збиральні властивості – в них можуть міститися поклади сирої нафти і природного газу.

Пухкі дрібнозернисті породи — це пил і мул, які в процесі постседиментації перетворюються на алевроліти й аргіліти. Особливим різновидом є лес – пилуватий еоловий відклад. До глинистих порід відносяться найбільш дрібнозернисті уламкові породи (глини, аргіліти, сланці).

ГЛИНИСТІ ПОРОДИ

Глинисті породи можуть бути значною мірою споріднені дрібнозернистим породам. Залежно від інтенсивності процесів літифікації розрізняють пухкі породи – глини – і тверді породи: аргіліти і сланці.

Залежно від мінерального складу розрізняють глинисті породи, багаті каолінітом, ілітом або монтморилонітом. Глинисті породи є цінною сировиною, яка використовується в різних галузях промисловості, у тому числі вогнетривкі, керамічні, цегляні, фаянсові, гончарні та емалеві глини.

Діагенетичні різновиди відомі та корисні як брусок, покрівельні та горючі сланці, а також нафтові, сапропелеві, мелильні та вугільні сланці.

Глинисті породи, багаті органічними речовинами, важливі як вуглеводнеутворюючі горизонти.

Група алітових порід, викопних вивітрювань, багатих на алюміній, які також називаються латеритами, дещо схожі на глинисті породи. Вони представлені переважно бокситами, складеними здебільшого сполуками Al(OH) ₃ та AlOOH. До латеритів відноситься також продукт вивітрювання глинистих мінералів у вапняках – terra rossa. Латерити утворюються в тропічному та субтропічному кліматі.

КАРБОНАТНІ ПОРОДИ

Карбонатні породи складені переважно карбонатними мінералами, найчастіше кальцитом (вапняки) і доломітами (доломіти). Перехідними породами між карбонатом і глинами є мергелі; між карбонатом і кремнеземом – породи і гусак; а між карбонатами і пісковиками – вапняки і піщані доломіти. Карбонатні породи утворюються хімічним або біохімічним шляхом.

Вапняки складаються переважно з карбонатних органічних залишків і кальцитового або арагонітового цементу (зернисті вапняки). Деякі різновиди складаються в основному з уламків подрібнених вапнякових порід і невеликої кількості в’яжучого, а інші містять мало зернистих компонентів і їх основною масою є цемент (кристалічний вапняк).

За наявністю органічних решток розрізняють вапняки форамініферові, коралові, криноїдні (криноїдні), мшанкові та інші; а за супутніми компонентами – вапняки доломітові, мергельні, бітумінозні, глауконітові та ін. Залежно від середовища осадконакопичення розрізняють вапняки рифові, пририфові, озерні, пелагічні, крейдяні та ін.

Доломіти – це гірські породи, що складаються переважно з мінералу доломіту, який може зустрічатися у формі органічних крихт, уламків гірських порід, зерен і цементу. Так само, як і вапняки, існують зернисті та кристалічні різновиди, а також різновиди, назва яких пов’язана з їх походженням, наприклад: диплопорові, органогенні, сингенетичні та епігенетичні доломіти. Деякі назви доломітів відносяться до супутніх компонентів, наприклад вапнякові, бітумінозні, рудовмісні доломіти.

Вапняки і доломіти є цінною сировиною, яка використовується в будівництві, металургії та хімічній промисловості.

СИЛІКОНОВІ ПОРОДИ

Кремнеземні породи включають відкладення, що містять більше 50% SiO ₂ органічного або хімічного походження. Джерело кремнезему може включати, серед іншого: організми (діатомові водорості, радіолярії, губки), матеріали вулканічного походження, гейзери та порові розчини.

До пухких і погано затверділих кремнеземистих порід відносяться діатоміт, радіоляритозем, спонгіоліти, некрози кремнезему і легкі породи. Їх літифіковані різновиди включають: діатоміти, радіолярити, спонгіоліти, спікуліти, порцеланіти та роговики. Багаті вуглецевими речовинами кремнеземні сланці — це лідити. Зустрічаються також гуси, багаті кремнистими органічними частинами і кварцом, і вапнякові гуси, що містять карбонати. Карбонатні породи іноді містять кремнеземні шари та лінзи, відомі як рогові камені, кремені або кремені, залежно від їх внутрішньої структури.

ФОСФИТНІ ПОРОДИ

Фосфорити — це відкладення, що містять понад 20 % P ₂ O ₅ . Найважливішим мінералом цих порід є апатит. Найпоширенішим різновидом є фосфорити, рідше зустрічаються родовища гуано і вівіаніту.

Джерелом фосфору є мінерали вивітрювання магматичних порід. Сполуки фосфору засвоюються організмами рослин і тварин. Фосфорити утворюються шляхом накопичення органічних залишків і фекалій тварин або шляхом хімічного осадження фосфатів. Розрізняють конкреційні фосфати, що утворюються на платформах, і шаруваті фосфати, що утворюються в глибоких басейнах.

Відкладення фосфатних порід можуть утворюватися в результаті масового вимирання організмів, наприклад, коли морське дно рухається або коли змішуються теплі та холодні морські течії. Деякі накопичення фосфору утворюються в процесі діагенезу.

Поклади фосфоритних порід є цінною сировиною для виробництва штучних добрив. Їх рясні накопичення відомі, серед іншого, з Китаю, Росії, США та Північної Африки. Найбільші скупчення гуано зустрічаються в Мексиці, Перу, Сейшельських островах, Австралії та Китаї.

СУЛЬФАТНО-СОЛЯНІ ГІРСЬКІ ПОРОДИ

Сульфатно-соляні породи належать до групи евапоритових родовищ. Їх систематика заснована на мінеральному складі. Існують гірські породи, що складаються з гіпсу та ангідриту, які називаються за назвою основного компонента, тобто гіпсу та ангідриту (або ангідриту). Поклади галіту (NaCl) називають кам’яною сіллю, а поклади, що складаються переважно з сильвіну (KCl), називаються калійними солями.

Гіпс може бути первинним відкладенням, що утворюється в результаті седиментації, або вторинним відкладенням – утворюється в результаті гідратації ангідритів. За розміром кристалів розрізняють крупнокристалічні гіпси – селеніти і дрібнокристалічні – алебастр. Ангідрити найчастіше утворюються при дегідратації гіпсу.

Кам’яна сіль – це галітові утворення, які часто супроводжуються іншими евапоритовими мінералами, такими як ангідрит, полігаліт, лангбейніт і кізерит. За наявності скупчень глинистих мінералів у солях розрізняють глинисті солі, соляні глини та соляні глини. Калійні і калійно-магнієві солі містять сильвіт, карналіт, кізерит, іноді каїніт і лангбейніт. Деякі соляні утворення містять борати і нітрати. Останні називають селітрою.

Залізисті породи

Залізисті породи — це відкладення, що містять понад 15 % Fe. Їх основні мінерали: гетит або лепідокроцит, гематит, магнетит, сидерит, шамозит і пірит.

Залізисті породи кисневої фації – це в основному коричневі феростони, також відомі як болотні руди. Вони утворюються в прибережних районах моря, в болотистих і озерних середовищах. Серед докембрійських утворень відомі (в тому числі на Скандинавському півострові, в Канаді, США та Австралії) стрічкові магнетито-гематито-рогові утворення (яспіліти).

Залізисті породи карбонатної фації являють собою пласти і лінзи сидеритів, що утворилися в зоні, багатої на CO ₂ . Найчастіше зустрічаються серед глинистих і аргілітових відкладень. Часто вони мають промислове значення.

Залізисті породи силікатної фації — відкладення, багаті шамозитом і глауконітом. Вони утворюються переважно у відновних умовах (шамозит) або на межі відновних і окислювальних умов (глауконіт).

ТОРФ І ВУГІЛЛЯ

Основними компонентами цієї групи порід є вуглефіковані рослинні рештки.Торфи – продукти найбільш ранньої стадії вуглефікації – утворюються у вологих місцях з обмеженим доступом кисню. Їх вологість часто перевищує 90%. Рослинна сировина в торфі зберігається краще, ніж у вугіллі. Розрізняють торфи однорідні (очеретяні, осокові, мохові та ін.) і неоднорідні змішаного складу. Межею між торфом і бурим вугіллям є умовне значення 65% мас. вуглець на сухій беззольній основі.

Вугілля — це горюча осадова порода, що утворилася внаслідок вуглефікації рослин: за ступенем діагенезу та метаморфізму, а також за фізико-хімічними характеристиками виділяють три основні групи: буре вугілля, кам’яне вугілля та антрацит.

Буре вугілля містить в середньому 65 – 78% мас. С, у свою чергу кам’яне вугілля від 78 до 94% мас. C. Існує чотири основні петрографічні різновиди, які називаються літотипами: блискуче вугілля (вітрин), напівглянцеве (кларін), матове (дурин) і волокнисте (фузин). Тип вугілля залежить від мікролітотипів, що містяться в ньому, що складається з мацералів, компонентів, що утворюються в результаті вуглефікації рослинної речовини, що характеризується однорідністю з точки зору морфології, хімічних і фізичних властивостей. Їх назви найчастіше пов’язані з назвами рослинних форм, з яких вони походять, наприклад, спораніт походить від карбонізації спор, кутініт – від перетворення кутикул, альгініт – від водоростей.

Антрацит — вугілля з металевим блиском, що містить понад 94% елемента вуглецю. Це найвища ланка ряду каустобіолітів.

Торф і вугілля є енергетичною сировиною.

Магматичні гірські породи

Магматичні гірські породи – це продукти кристалізації магматичних розплавів, затверділих у різних умовах, масах і формах. Залежно від того, утворилися вони в глибині Землі чи на її поверхні, їх поділяють на глибоководні та екструзивні .

Глибоководні породи , також звані плутонічними або абісальними породами, повільно тверділи у великі маси на значній глибині в умовах високого тиску та повільного падіння температури. Летючі компоненти, розчинені в магмі, що остигає, практично повністю зберігаються.

Утворення, які утворилися на меншій глибині, як правило, з менших частин магми, що відокремилися від основного резервуара, називаються субвулканічними (гіпабіссальними). Зазвичай вони з’являються у вигляді вторгнень, сумісних із відшаруванням, наприклад сила, лаколіти, лополіти. Нижчий тиск і температура призводять до того, що газоподібні компоненти тверднуть і вивільняються швидше.

Вулканічні породи утворилися в результаті застигання лав, що виливаються на поверхню. Низький тиск і температура сприяють відокремленню газової фракції. Лава розтікається по поверхні у вигляді лавових потоків або викидається під тиском високо в атмосферу, потім випадає у вигляді дрібного попелу та крихти (лапіл).

Їх будова пов’язана з умовами кристалізації вивержених порід. Плутонічні породи повністю кристалічні ( голокристалічна структура ), найчастіше настільки грубокристалічні, що їх компоненти можна розрізнити неозброєним оком. Причиною цього є повільне падіння тиску та температури, а також наявність згаданих раніше летючих компонентів, які сприяють більшій текучості цього магматичного розплаву.

Вулканічні породи – екструзивні – утворилися в результаті швидкого застигання лави на суші або на дні водойм, в умовах швидкого падіння температури і тиску. Вони характеризуються наявністю в основному однорідної гірської корки (емалі та продуктів її дегласифікації), яка іноді містить попередньо утворені прекристали ( гіпокристалічна структура) . Швидке падіння тиску та дегазація лави створює текстуру, схожу на бульбашку.

Субвулканічні породи займають проміжне положення, найчастіше повністю кристалічні (голокристалічні), але більш дрібнозернисті і нерівнозернисті.

Залежно від вмісту кремнезему магматичні породи поділяються на:

• кислі породи – вище 66% SiO ₂
• проміжні породи – 52-66% SiO ₂
• лужні породи – 45-52% SiO ₂
• ультраосновні породи – менше 45% SiO ₂

У земній корі домінують дві групи магматичних порід. До бідніших SiO2 _{відносяться} вулканічні породи базальтової групи, до більш багатих SiO2 _– плутонічні породи групи гранітів.

Метаморфічні гірські породи – це продукти перетворення всіх типів гірських порід (магматичних, осадових і раніше утворених метаморфічних) в результаті процесів метаморфізму. Ці явища призводять до змін у структурі та мінеральному складі гірських порід і відбуваються при температурах і тисках, вищих за ті, що переважають у поверхневих шарах Землі, тоді як стан концентрації мінералів залишається постійним під час цих змін. До метаморфічних процесів належать також процеси проникнення (міграції) хімічних речовин, що відбуваються шляхом дифузії.

Факторами метаморфізму є: температура , статичний тиск , спрямований тиск і наявність носіїв (розчинників), які сприяють міграції речовин. Найважливішими показниками умов утворення метаморфічних порід є наявні в них мінерали. Це можуть бути окремі мінерали або групи мінералів (парагенезис).

Деякі мінерали є загальними для вивержених і метаморфічних порід, включаючи польові шпати, кварц, слюду, амфібол і піроксен. Проте в останніх трьох групах мінералів є мінерали, що зустрічаються тільки в метаморфічних породах: флогопіт (слюда); актиноліт, антофіліт, глаукофан (амфіболи); нефрит, омфацит (піроксени).

Більш характерними (типоморфними) є мінерали, залягання яких пов’язане виключно з метаморфічними породами. Наявність таких мінералів визначає умови, в яких відбувалися процеси метаморфізму. До них відносяться три мінерали з ідентичним хімічним складом Al ₂ SiO ₅ :

• силіманіт – характерний для високих температур і тиску;
• андалузит – характерний для високих температур і низького тиску;
• дистен – характерний для високого тиску.

Формування і розміщення мінералів у метаморфічних породах визначає їх структуру, яка зазвичай спрямована. Спрямованість найчастіше підкреслюють ламіни і кварцові лінзи, польовошпатові «вічка» і слюдяні пакети.