В.И.Осипов В.Н.Соколов Н.А.Румянцева

Микроструктура

глинистых

пород

Под редакцией

а к а д е м и к а Е.М. Сергеева

МОСКВА "НЕДРА" 1989

Б Б К 26.3

0-74

У Д К 624.131

Рецензент д-р геол.-минер, наук А. К. Ларионов

Осипов В. И., Соколов В. H., Румянцева Н. А.

0-74 М и к р о с т р у к т у р а глинистых п о р о д / П о д ред. а к а д е м и к а

Е. М. Сергеева — M. : Н е д р а, 1 9 8 9. - 2 1 1 с : ил.

I S B N 5—247—00473—6 Изложены закономерности формирования микроструктуры глини­ стых пород, процессов структурообразования в глинистых системах, описаны современные методы изучения микроструктуры глинистых осадков. Показано влияние микроструктуры глин на их физические, ме­ ханические и коллекторские свойства. Рассмотрены тиксотропные й реологические процессы в глинах, природа анизотропии их свойств.

Приведены примеры практического использования микроструктурных данных при оценке глинистых пород.

Для геологов, изучающих литологию и петрографию осадочных по­ род, а также специалистов в области коллоидной химии, керамики, фи­ зико-химической механики дисперсных систем.

О 1804090000-398 _ ББК 26. И 1 8 д 043(01)- © Издательство «Недра», 198ft ISBN 5—247—00473— ПРЕДИСЛОВИЕ С т р у к т у р а — э т о в а ж н е й ш е е к а ч е с т в о п о р о д ы, с одной сторо­ н ы, о т р а ж а ю щ е е у с л о в и я ее ф о р м и р о в а н и я, а с д р у г о й, — опре­ д е л я ю щ е е ее ф и з и ч е с к и е, м е х а н и ч е с к и е и д р у г и е с в о й с т в а. П о ­ этому изучение структур пород началось практически с самого з а р о ж д е н и я г е о л о г и и. О д н а к о в р а з н ы х о б л а с т я х геологии на­ п р а в л е н н о с т ь этих и с с л е д о в а н и й р а з л и ч н а. В п е т р о г р а ф и и и л и ­ тологии и с с л е д о в а н и я с т р у к т у р и м е ю т вещественно-генетиче­ скую н а п р а в л е н н о с т ь и подчинены р е ш е н и ю основной з а д а ч и — изучению у с л о в и й ф о р м и р о в а н и я в е щ е с т в а п о р о д ы и р а с п р е д е ­ л е н и я в нем к о м п о н е н т о в, я в л я ю щ и х с я п о л е з н ы м и и с к о п а е м ы м и.

В и н ж е н е р н о й геологии и с с л е д о в а н и е с т р у к т у р п о р о д и м е е т д р у ­ г и е з а д а ч и и н а п р а в л е н о на п о з н а н и е з а к о н о м е р н о с т е й и з м е н е ­ н и я свойств п о р о д и у с л о в и й их ф о р м и р о в а н и я. Н а с т о я щ а я р а б о ­ та посвящена изучению структур глинистых пород в инженерно геологическом плане.

С т р у к т у р ы п о р о д, и в ч а с т н о с т и глин, я в л я ю т с я ч у т к и м инди­ катором условий образования и дальнейшего преобразования о т л о ж е н и й в ходе л и т о г е н е з а. П о э т о м у с о в р е м е н н ы е п р е д с т а в л е ­ ния о п р о ц е с с а х л и т о г е н е з а с л у ж а т т е о р е т и ч е с к о й б а з о й д л я со­ з д а н и я о б щ е й т е о р и и прочности п о р о д. О т с ю д а в ы т е к а е т в а ж ­ нейший принцип инженерно-геологического изучения пород — генетический подход, с позиций которого удается раскрыть с л о ж н ы е и м н о г о о б р а з н ы е процессы с т р у к т у р о о б р а з о в а н и я в г л и н и с т ы х п о р о д а х и на э т о й основе о б ъ я с н и т ь б о л ь ш у ю и з м е н ­ чивость их свойств. Б о л е е того, и с п о л ь з у я с т р у к т у р н ы е п о к а з а ­ тели, в к о т о р ы х « з а к о д и р о в а н а » г е н е т и ч е с к а я и н ф о р м а ц и я, м о ж ­ но н а х о д и т ь их к о р р е л я ц и о н н ы е в з а и м о с в я з и со с в о й с т в а м и и на э т о й основе п р о г н о з и р о в а т ь п о в е д е н и е п о р о д. Д л я р е а л и з а ц и и э т о й идеи н е о б х о д и м ы с о в р е м е н н ы е м е т о д ы количественной оценки структурных показателей пород.

Структурообразование пород следует рассматривать как с л о ж н ы й ф и з и к о - х и м и ч е с к и й п р о ц е с с. П р и его изучении п о м и м о теории л и т о г е н е з а н е о б х о д и м о о п и р а т ь с я на к л а с с и ч е с к и е р а б о ­ ты в о б л а с т и теории п о в е р х н о с т н ы х сил и теории у с т о й ч и в о с т и к о л л о и д о в и т о н к и х п л е н о к, п р и н а д л е ж а щ и е Б. В. Д е р я г и н у, Н. В. Ч у р а е в у, Е. Ф е р в е ю, Т. О в е р б е к у, И. Ф. Е ф р е м о в у, В. М. М у л л е р у, Г. З о н т а г у, К. Ш т р е н г е, X. в а н О л ф е н у и м н о г и м д р у г и м, а т а к ж е на п р е д с т а в л е н и я ф и з и к о - х и м и ч е с к о й м е х а н и к и п о р и с т ы х т е л, и з л о ж е н н ы е в т р у д а х П. А. Р е б и н д е р а и р а з в и в а ­ емые его у ч е н и к а м и — Е. Д. Щ у к и н ы м, Н. В. П е р ц е в ы м, Е. А. А м е л и н о й и д р. И с п о л ь з о в а н и е т е о р и и п о в е р х н о с т н ы х сил и положений физико-химической механики открывает возможно­ сти к о л и ч е с т в е н н о г о и з у ч е н и я п р о ц е с с о в с т р у к т у р о о б р а з о в а н и я и р а з р а б о т к и н а у ч н ы х п р и н ц и п о в их р е г у л и р о в а н и я.

П р и п р а к т и ч е с к о м изучении м и к р о с т р у к т у р глинистых пород наибольшую информацию дает электронная микроскопия.

В 1954 г. на к а ф е д р е грунтоведения и и н ж е н е р н о й геологии (ны­ не к а ф е д р а и н ж е н е р н о й геологии и о х р а н ы геологической среды) геологического ф а к у л ь т е т а М Г У б ы л а с о з д а н а одна из п е р в ы х в н а ш е й с т р а н е л а б о р а т о р и я э л е к т р о н н о й микроскопии. С этого времени на к а ф е д р е н а ч а л и с ь систематические и с с л е д о в а н и я с т р у к т у р пород. Б о л ь ш о й в к л а д в р а з в и т и е этих р а б о т внесли з а в е д у ю щ а я л а б о р а т о р и е й Г. Г. И л ь и н с к а я и с т а р ш и й научный с о т р у д н и к Л. Г. Р е к ш и н с к а я. С 1968 г. и с с л е д о в а н и я в е д у т с я с применением р а с т р о в о й электронной микроскопии (РЭМ).

В 1969 г. Г. Г. И л ь и н с к а я и Р. А. Б о ч к о п р о в е л и п е р в ы е р а б о т ы по а в т о м а т и ч е с к о й о б р а б о т к е д а н н ы х э л е к т р о н н о - м и к р о с к о п и ч е ­ ских исследований, к о т о р ы е п о з в о л и л и в 1975 г. В. И. Осипову, В. Н. С о к о л о в у и Н. А. Р у м я н ц е в о й н а ч а т ь систематические ис­ с л е д о в а н и я по к о л и ч е с т в е н н о м у изучению м и к р о с т р у к т у р глини­ стых пород. В 1976 г. В. И. Осипов и В. Н. С о к о л о в совместно с Г. Р. М и р к и н ы м и М. Д. Т о л к а ч е в ы м р а з р а б о т а л и устройство д л я о п р е д е л е н и я величины пористости и количественной о ц е н к и с т р у к т у р ы порового п р о с т р а н с т в а т в е р д ы х тел. Эти и п о с л е д у ю ­ щие р а б о т ы а в т о р о в легли в основу п а т е н т о в на способ и уст­ ройство д л я количественной оценки структур т в е р д ы х тел, кото­ рые были з а р е г и с т р и р о в а н ы в р я д е стран ( С Ш А, В е л и к о б р и т а ­ ния, Ф р а н ц и я, Ф Р Г, Ч С С Р ). И с х о д я из п р е д л о ж е н н ы х принци­ пов, А. Ю. С а с о в с о з д а л и н т е р ф е й с н ы й блок, п о з в о л я ю щ и й со­ з д а т ь а н а л и з а т о р и з о б р а ж е н и й м и к р о с т р у к т у р на б а з е Р Э М ти­ па «Квикскан-107» и м и к р о Э В М - 1 5 В С М 5, а з а т е м на б а з е к о м ­ плекса Р Э М типа «Хитачи S—800» с м и к р о Э В М « И с к р а - 2 2 6 ».

В ы п о л н е н н ы е р а б о т ы д а л и в о з м о ж н о с т ь провести всестороннее количественное и с с л е д о в а н и е м и к р о с т р у к т у р более 300 о б р а з ц о в глинистых пород р а з л и ч н о г о в о з р а с т а, генезиса и степени л и т и ф и к а ц и и, п о с л у ж и в ш е е основой д л я н а п и с а н и я этой книги.

Исследования, проводимые авторами в области изучения м и к р о с т р у к т у р глинистых пород о р и г и н а л ь н ы и носят приори­ тетный х а р а к т е р. Б о л е е десяти л е т н а з а д они н а ч а л и р а б о т ы по о б о б щ е н и ю м а т е р и а л о в м и к р о с т р у к т у р н ы х и с с л е д о в а н и й, прово­ димых в С С С Р и за рубежом. Результатом стала монография Б. Г р а б о в с к о й - О л ь ш е в с к о й, В. И. Осипова и В. Н. С о к о л о в а « А т л а с м и к р о с т р у к т у р глинистых пород», не и м е ю щ а я а н а л о г о в в мировой л и т е р а т у р е. Н а с т о я щ а я книга н а п и с а н а в р а з в и т и е этой р а б о т ы и в к л ю ч а е т описание новых методов, м е т о д и к и тех­ нических средств, р а з р а б о т а н н ы х в последние годы д л я количе­ ственного а н а л и з а м и к р о с т р у к т у р глин. И з л о ж е н н ы е в м о н о г р а ­ фии д а н н ы е о т к р ы в а ю т п р и н ц и п и а л ь н о новые в о з м о ж н о с т и д л я изучения з а к о н о м е р н о с т е й изменения прочности и д е ф о р м и р у е ­ мости глинистых пород на основе в ы я в л е н и я количественных в з а и м о с в я з е й м е ж д у п а р а м е т р а м и м и к р о с т р у к т у р пород и их свойствами.

А к а д е м и к Е. М. Сергеев Часть I Т Е О Р Е Т И Ч Е С К И Е ОСНОВЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ГЛИНИСТЫХ СИСТЕМАХ Глава СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД 1.1. ПОНЯТИЕ «СТРУКТУРА»

П р и в ы д е л е н и и с т р у к т у р г о р н ы х п о р о д в геологии с ф о р м и р о ­ вались два подхода — морфометрический и энергетический. На­ и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е п о л у ч и л п е р в ы й, при которо.* в ос­ нову п о н я т и я « с т р у к т у р а » п о л о ж е н ы м о р ф о м е т р и ч е с к и е особен­ ности с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в и их с о о т н о ш е н и е в п о р о д е. В пет­ р о г р а ф и и с у щ е с т в у е т р я д о п р е д е л е н и й с т р у к т у р ы п о р о д ы, осно­ в а н н ы х на э т о м п р и н ц и п е ;

среди них н а и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е ­ ние п о л у ч и л о с ф о р м у л и р о в а н н о е А. Н. З а в а р и ц к и м в 1955 г.:

п о д с т р у к т у р о й он п р е д л о ж и л п о н и м а т ь те особенности с т р о е н и я породы, которые обусловливаются размерами, формой и взаим­ ным отношением составных частей породы. В таком понимании термин «структура пород» вошел в научную и учебную литера­ туру.

При энергетическом подходе понятие структуры основывает­ с я на т а к и х п р и з н а к а х, к а к х а р а к т е р в з а и м о д е й с т в и я с т р у к т у р ­ н ы х э л е м е н т о в и э н е р г и я всей с т р у к т у р ы в ц е л о м. Н а и б о л е е ши­ рокое п р и м е н е н и е э н е р г е т и ч е с к и й п р и н ц и п н а ш е л в ф и з и к о - х и ­ мической м е х а н и к е д и с п е р с н ы х систем — н о в о м н а у ч н о м н а п р а в ­ лении, р а з в и т о м П. А. Р е б и н д е р о м и его у ч е н и к а м и. С т р у к ­ т у р ы р а з л и ч н ы х п р и р о д н ы х и и с к у с с т в е н н ы х д и с п е р с н ы х систем в ф и з и к о - х и м и ч е с к о й м е х а н и к е п о д р а з д е л я ю т с я по х а р а к т е р у к о н т а к т н ы х в з а и м о д е й с т в и й на н е с к о л ь к о т и п о в : к о а г у л я ц и о н ные, к р и с т а л л и з а ц и о н н ы е и к о н д е н с а ц и о н н ы е.

И з у ч е н и е э н е р г и и с т р у к т у р г о р н ы х п о р о д не в х о д и л о в круг практических задач, решаемых в петрографии. И н а я ситуация с л о ж и л а с ь в и н ж е н е р н о й геологии, где и с с л е д о в а н и е г р у н т о в и п р е ж д е всего их ф и з и ч е с к и х и м е х а н и ч е с к и х с в о й с т в н е в о з м о ж ­ но без з н а н и я с т р у к т у р н ы х с в я з е й, т. е. х а р а к т е р а в з а и м о д е й с т ­ в и я с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, п р и р о д ы э т и х в з а и м о д е й с т в и й, ус­ л о в и й их ф о р м и р о в а н и я и и з м е н е н и я п о д в л и я н и е м в н е ш н и х и в н у т р е н н и х ф а к т о р о в. П о э т о м у среди с о в е т с к и х с п е ц и а л и с т о в в о б л а с т и и н ж е н е р н о й геологии с т а л о с к л а д ы в а т ь с я свое п о н я т и е «структура» пород, которое включало и энергетические призна­ к и. Х а р а к т е р с т р у к т у р н ы х с в я з е й и м о р ф о м е т р и ч е с к и е особенно сти с т р у к т у р тесно с в я з а н ы м е ж д у собой, п о э т о м у при описании с т р у к т у р г р у н т о в с т а л и и с п о л ь з о в а т ь с я обе группы п р и з н а к о в.

Э т о н а ш л о о т р а ж е н и е в р а б о т а х М. М. Ф и л а т о в а, Е. М. С е р г е е в а и В. А. П р и к л о н с к о г о, к о т о р ы е в к а ч е с т в е о б я з а т е л ь н о г о п р и з н а ­ ка с т р у к т у р ы р а с с м а т р и в а л и х а р а к т е р с в я з е й м е ж д у ч а с т и ц а м и.

Т а к и м о б р а з о м, в 1940—1960-е гг. в с о в е т с к о й и н ж е н е р н о й г е о л о г и и с л о ж и л о с ь п о н я т и е « с т р у к т у р а г р у н т а », с о г л а с н о ко­ т о р о м у под с т р у к т у р о й п о н и м а е т с я р а з м е р, ф о р м а, х а р а к т е р по­ верхности, к о л и ч е с т в е н н о е с о о т н о ш е н и е его э л е м е н т о в и х а р а к ­ тер их с в я з и д р у г с д р у г о м. А н а л о г и ч н о й точки з р е н и я п р и д е р ­ ж и в а ю т с я и многие з а р у б е ж н ы е с п е ц и а л и с т ы в о б л а с т и и н ж е ­ нерной геологии и м е х а н и к и г р у н т о в Г 44"].

1.1.1. Структура как совокупность морфометрических, геометрических и энергетических признаков строения породы П р и в е д е н н о е в ы ш е о п р е д е л е н и е с т р у к т у р ы не о т в е ч а е т пред­ с т а в л е н и я м о п о р о д а х к а к м н о г о к о м п о н е н т н ы х с и с т е м а х и не от­ р а ж а е т многих п р и з н а к о в их с т р о е н и я, и с к л ю ч и т е л ь н о в а ж н ы х д л я о ц е н к и свойств. К числу т а к и х п р и з н а к о в относится геомет­ р и я или п р о с т р а н с т в е н н а я к о м п о з и ц и я, с т р у к т у р ы.

И с т о р и ч е с к и с л о ж и л о с ь т а к, что п р о с т р а н с т в е н н о е р а с п о л о ­ ж е н и е с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в в породе не в х о д и т в п о н я т и е с т р у к т у р ы. Э т и особенности с т р о е н и я п о р о д ы н а з в а н ы тексту­ р о й. Т е р м и н о л о г и ч е с к и с т р у к т у р а и т е к с т у р а б л и з к и м е ж д у со­ бой и не о т в е ч а ю т т о м у с м ы с л у, к о т о р ы й в них в к л а д ы в а е т с я при х а р а к т е р и с т и к е с т р о е н и я пород. Т а к, в п е р е в о д е с л а т и н ­ ского structure, — это строение, р а с п о л о ж е н и е, у с т р о й с т в о, по­ строение, a textura — это т к а н ь, соединение, с в я з ь.

Искусственность разделения структуры и текстуры признает­ ся м н о г и м и г е о л о г а м и. И з ъ я т и е н е о т ъ е м л е м о г о п р и з н а к а строе­ ния п о р о д из п о н я т и я с т р у к т у р ы с о з д а е т р я д т р у д н о с т е й в но­ менклатуре структур и текстур пород. Например, оолитовое и с ф а л е р и т о в о е строение к а р б о н а т н ы х, с у л ь ф а т н ы х, к р е м н и с т ы х и н е к о т о р ы х д р у г и х п о р о д часто н а з ы в а ю т о д н о в р е м е н н о структу­ рой и т е к с т у р о й. В ы д е л е н и е р я д а т е к с т у р о с а д о ч н ы х пород ( и г о л ь ч а т а я, о б л о м о ч н а я ) о с н о в ы в а е т с я на м о р ф о л о г и ч е с к и х п р и з н а к а х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в. Р я д и с с л е д о в а т е л е й к тек­ с т у р н ы м п р и з н а к а м о т н о с я т пористость и цемент о с а д о ч н ы х по­ род.

Б о л ь ш и е т р у д н о с т и в с т р е ч а ю т с я при р а з д е л е н и и с т р у к т у р н ы х и т е к с т у р н ы х п р и з н а к о в у биогенных, и особенно т о н к о д и с п е р с ­ ных, г л и н и с т ы х о б р а з о в а н и й. Т а к, в ы д е л е н и е ячеистой, турбу­ л е н т н о й, л а м и н а р н о й и д р у г и х с т р у к т у р глин [33] н е в о з м о ж н о без учета пространственного расположения структурных элемен­ т о в. Б о л е е того, д а ж е при описании о т д е л ь н ы х с т р у к т у р н ы х э л е ­ м е н т о в глин п р и х о д и т с я у ч и т ы в а т ь их т е к с т у р н ы е п р и з н а к и.

М и к р о а г р е г а т ы глинистых м и н е р а л о в, с л а г а ю щ и е глины, имеют о п р е д е л е н н о е в н у т р е н н е е строение, х а р а к т е р и з у ю щ е е с я п а р а л ­ л е л ь н ы м, с ф е р и ч е с к и м или б е с п о р я д о ч н ы м р а с п о л о ж е н и е м гли­ нистых частиц.

Ч т о б ы и з б е ж а т ь п у т а н и ц ы в в ы д е л е н и и с т р у к т у р н ы х и тек­ стурных п р и з н а к о в г р у н т а, Е. М. С е р г е е в п р е д л о ж и л п р и м е н я т ь т е р м и н « с т р у к т у р н о - т е к с т у р н ы е особенности». Этот т е р м и н, хотя и и с п о л ь з у е т с я в научной л и т е р а т у р е, не вносит ясности в пони­ м а н и е с т р у к т у р ы г р у н т а, к р о м е того, он не о т в е ч а е т о б щ е й си­ с т е м а т и к е с т р у к т у р ы с л о ж н ы х систем. П. И. Ф а д е е в, о т м е ч а я искусственность в ы д е л е н и я с т р у к т у р и т е к с т у р, п р е д л о ж и л не и с п о л ь з о в а т ь эти т е р м и н ы и з а м е н и т ь их одним т е р м и н о м «стро­ ение п о р о д ы ». Т а к о е а л ь т е р н а т и в н о е п р е д л о ж е н и е в п о л н е допу­ стимо, и н а м и в д а л ь н е й ш е м понятие «строение п о р о д » будет ис­ п о л ь з о в а т ь с я д л я того, чтобы подчеркнуть, что речь идет о всем к о м п л е к с е с т р у к т у р н ы х и т е к с т у р н ы х п р и з н а к о в в их т р а д и ц и о н ­ ном п о н и м а н и и.

Д л я п р е о д о л е н и я т р у д н о с т е й, с в я з а н н ы х с т р а к т о в к о й поня­ тий с т р у к т у р ы и т е к с т у р ы п о р о д в геологии и и н ж е н е р н о й геоло­ гии ц е л е с о о б р а з н о р а с ш и р и т ь п о н я т и е с т р у к т у р ы и в к л ю ч и т ь в него н е д о с т а ю щ е е сейчас « п р о с т р а н с т в е н н о е распределение с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в », т. е п р и д а т ь т е р м и н у « с т р у к т у р а » не т о л ь к о м о р ф о м е т р и ч е с к и й, но и г е о м е т р и ч е с к и й с м ы с л, к а к это р а н е е п р е д л а г а л Д. С. Ш т е й н б е р г. К с т а т и говоря, т а к и е поня­ тия, как «структура минерала», «структура атома», имеют преж­ д е всего г е о м е т р и ч е с к и й смысл. Н е п о н я т н о, почему, когда речь идет о с т р у к т у р е породы, геометрический а с п е к т этого п о н я т и я забывается. Предложения о широком понимании термина «структура», включающего пространственное расположение с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, в ы с к а з ы в а л и с ь М. М. Ф и л а т о в ы м, Ф. О. Л е в и н с о н о м - Л е с с и н г о м, Е. М. С е р г е е в ы м и В. А. П р и к л о н ским, о д н а к о они не п о л у ч и л и р а с п р о с т р а н е н и я, х о т я и д а ю т к л ю ч к р е ш е н и ю этой п р о б л е м ы.

П р и ш и р о к о м п о н и м а н и и с т р у к т у р ы т е к с т у р а п о р о д ы стано­ вится ее ч а с т н ы м п р и з н а к о м, х а р а к т е р и з у ю щ и м г е о м е т р и ч е с к и е особенности. И н ы м и с л о в а м и, когда речь идет о строении поро­ ды в ц е л о м, н у ж н о п р и м е н я т ь термин « с т р у к т у р а », i когда не­ обходимо подчеркнуть характер пространственного распределе­ ния с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, м о ж н о и с п о л ь з о в а т ь термин «тек­ с т у р а ». П р и т а к о м п о д х о д е будут у с т р а н е н ы те н е д о р а з у м е н и я, о которых говорилось выше, и отпадает необходимость отказы­ в а т ь с я от ш и р о к о р а с п р о с т р а н е н н ы х в геологической л и т е р а т у р е терминов «структура» и «текстура». При широком понимании термин « с т р у к т у р а » с т а н о в и т с я синонимом п о н я т и я «строение породы».

Д р у г о й в а ж н е й ш и й п р и з н а к с т р у к т у р ы, не н а ш е д ш и й до на­ с т о я щ е г о времени д о с т а т о ч н о г о о т р а ж е н и я при о п и с а н и и строе­ ния пород,— э н е р г и я с в я з и ее с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в. К а к у ж е отмечалось, большинство специалистов в области инженерной геологии признает структурные связи неотъемлемой частью с т р у к т у р ы. В то ж е в р е м я в н а з в а н и и с т р у к т у р и их к л а с с и ф и ­ к а ц и и х а р а к т е р с т р у к т у р н ы х с в я з е й обычно не у ч и т ы в а е т с я и тем самым существенно обедняется информация о структуре и ее в о з м о ж н ы х с в о й с т в а х. П р е ж д е всего э т о о б ъ я с н я е т с я отсутст­ в и е м строгих к о л и ч е с т в е н н ы х м е т о д о в о ц е н к и э н е р г и и структу­ ры. Н о д а ж е к а ч е с т в е н н а я х а р а к т е р и с т и к а с т р у к т у р н ы х с в я з е й и с к л ю ч и т е л ь н о п о л е з н а при и н ж е н е р н о - г е о л о г и ч е с к о м о п и с а н и и п о р о д. С э т о й ц е л ь ю м о ж н о б ы л о бы и с п о л ь з о в а т ь э н е р г е т и ч е ­ с к у ю к л а с с и ф и к а ц и ю с т р у к т у р, с о з д а н н у ю П. А. Р е б и н д е р о м и Е. Д. Щ у к и н ы м и п р и н я т у ю в ф и з и к о - х и м и ч е с к о й м е х а н и к е дис­ п е р с н ы х систем, р а с ш и р и в ее и д о п о л н и в п р и м е н и т е л ь н о к поро­ д а м. И с п о л ь з о в а н и е э н е р г е т и ч е с к и х п р и з н а к о в при о п и с а н и и с т р у к т у р п о з в о л я е т п о л у ч и т ь п р е д с т а в л е н и е не т о л ь к о об осо­ б е н н о с т я х с т р о е н и я п о р о д ы, но и ее с в о й с т в а х.

Геометрические, морфометрические и энергетические призна­ ки с т р у к т у р ы ф о р м и р у ю т с я в процессе о б р а з о в а н и я и п о с л е д у ­ ю щ е г о и з м е н е н и я п о р о д ы под в л и я н и е м в н у т р е н н и х и в н е ш н и х факторов. Среди внутренних факторов большая роль принадле­ жит составу компонентов породы (твердого, жидкого, газообраз­ ного и б и о т и ч е с к о г о ), и х к о л и ч е с т в е н н о м у с о о т н о ш е н и ю и про­ ц е с с а м в з а и м о д е й с т в и я. М о ж н о у т в е р ж д а т ь, что с т р у к т у р а я в ­ ляется качеством грунта как многокомпонентной системы.

В этом о т н о ш е н и и н е л ь з я не с о г л а с и т ь с я с А. К. Л а р и о н о в ы м, о т м е ч а в ш и м, что п р е д с т а в л е н и е о с т р у к т у р е п о р о д ы, с л о ж и в ш е ­ еся в п е т р о г р а ф и и и л и т о л о г и и, к а к о с о в о к у п н о с т и п р и з н а к о в с т р о е н и я, о п р е д е л я е м ы х т в е р д ы м к о м п о н е н т о м п о р о д ы, не мо­ жет механически переноситься в инженерную геологию. Дейст­ в и т е л ь н о, к а к, н а п р и м е р, м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь с т р у к т у р у глини­ стых п о р о д без учета в о д ы в ней. П р и у д а л е н и и в о д ы из глины наблюдается коренная перестройка структуры: глина уплотняет­ ся, п р о и с х о д я т а г р е г а ц и я ее с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в и и з м е н е н и е с т р у к т у р н ы х с в я з е й, что с о п р о в о ж д а е т с я с у щ е с т в е н н ы м п о в ы ш е ­ нием прочности с т р у к т у р ы. А н а л о г и ч н ы е и з м е н е н и я, но в мень­ ш и х м а с ш т а б а х, х а р а к т е р н ы и д л я д р у г и х типов п о р о д. Д а ж е магматические и метаморфические породы с кристаллизацион­ н ы м и с т р у к т у р а м и при в о д о н а с ы щ е н и и могут н е с к о л ь к о сни­ ж а т ь свою п р о ч н о с т ь ( р а з м я г ч а т ь с я ) в с л е д с т в и е о с л а б л е н и я структурных связей.

Хорошо известна т а к ж е роль живых организмов в формиро­ вании структур грунтов. Имеется целая группа органогенных структур, образование которых связано с существованием раз­ личных живых и растительных организмов. Деятельность микро­ о р г а н и з м о в, о б и т а ю щ и х п р а к т и ч е с к и во всех п о р о д а х, п р и в о д и т к и з м е н е н и ю их а г р е г а т н о г о с о с т а в а, с т р у к т у р н ы х с в я з е й и по р о в о г о д а в л е н и я, что о т р а ж а е т с я на их с в о й с т в а х.

Газовый компонент при определенных условиях т а к ж е ока­ з ы в а е т в л и я н и е на с т р у к т у р у п о р о д ы. В к а ч е с т в е п р и м е р а м о ж ­ но п р и в е с т и ф о р м и р о в а н и е в ы с о к о п о р и с т ы х ( п у з ы р и с т ы х ) с т р у к т у р э ф ф у з и в н ы х п о р о д в с л е д с т в и е интенсивного у д а л е н и я г а з а из остывающей магмы.

П о д в о д я итоги, м о ж н о с к а з а т ь, что с о в р е м е н н а я т р а к т о в к а понятия «структура» д о л ж н а включать следующие признаки:

1) м о р ф о м е т р и ч е с к и е (размер, форма, характер поверхности с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в и их количественное соотношение);

2) г е о м е т р и ч е с к и е ( п р о с т р а н с т в е н н а я к о м п о з и ц и я с т р у к т у р ы ) ;

3) э н е р г е т и ч е с к и е (тип с т р у к т у р н ы х связей и о б щ а я э н е р г и я с т р у к т у р ы ). К р о м е того, д о л ж н а у к а з ы в а т ь с я зависимость с т р у к т у р ы от с о с т а в а, с о о т н о ш е н и я и в з а и м о д е й с т в и я всех к о м ­ понентов п о р о д ы, с в и д е т е л ь с т в у ю щ а я о д и н а м и ч н о с т и с т р у к т у р ы и ее с в я з и с генетическими ф а к т о р а м и. С учетом с к а з а н н о г о м о ж н о с ф о р м у л и р о в а т ь понятие с т р у к т у р ы п о р о д ы с л е д у ю щ и м о б р а з о м [ 2 2 ] : структура — это пространственная организация всего вещества породы, характеризующаяся совокупность! мор фометрических, геометрических и энергетических признаков и определяющаяся составом, количественным соотношением и вза­ имодействием компонентов породы.

1.1.2. Системные признаки структуры П р и в е д е н н о е в ы ш е о п р е д е л е н и е с т р у к т у р ы о с н о в а н о на в ы ­ д е л е н и и основных п р и з н а к о в, х а р а к т е р и з у ю щ и х с т р у к т у р у поро­ ды п р и м е н и т е л ь н о к ее к о н к р е т н о м у с о с т о я н и ю. Это о п р е д е л е н и е не о т р а ж а е т р а з в и т и я с т р у к т у р ы — одного из ее в а ж н е й ш и х си­ стемных п р и з н а к о в.

Если р а с с м а т р и в а т ь породу к а к систему, с о с т о я щ у ю из э л е ­ ментов ( п о д с и с т е м ), то с т р у к т у р а п о р о д ы будет х а р а к т е р и з о ­ в а т ь с я с о в о к у п н о с т ь ю отношений и с в я з е й м е ж д у ее э л е м е н т а м и ( п о д с и с т е м а м и ). П о э т о м у с т р у к т у р а л ю б о й системы, в том ч и с л е и п о р о д ы, имеет п р о с т р а н с т в е н н о - в р е м е н н о й х а р а к т е р. Э т о о з н а ­ ч а е т, что она о б л а д а е т о п р е д е л е н н ы м п о р я д к о м ( о р г а н и з а ц и е й ) э л е м е н т о в в п р о с т р а н с т в е, к о т о р ы й постоянно и з м е н я е т с я во вре­ мени, о б у с л о в л и в а я смену ее состояний. С т р у к т у р ы, и з м е н я ю ­ щ и е с я во времени под в л и я н и е м в н у т р е н н и х и в н е ш н и х в з а и м о ­ действий и о б л а д а ю щ и е способностью п е р е х о д и т ь из одного со­ стояния в другое, получили название динамических [ 3 ]. Нетруд­ но д о к а з а т ь, что п о р о д ы о б л а д а ю т всеми о с о б е н н о с т я м и д и н а ­ мических с т р у к т у р. В процессе л и т о г е н е з а и м е т а м о р ф и з м а по­ р о д ы и с п ы т ы в а ю т с л о ж н ы е п р е о б р а з о в а н и я под д е й с т в и е м д а в ­ ления, температуры и различных физико-химических факторов, что приводит к и з м е н е н и ю с о о т н о ш е н и я т в е р д о г о, ж и д к о г о и га­ зового к о м п о н е н т о в, степени р а с к р и с т а л л и з а ц и и и агрегации с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, их о р и е н т а ц и и в п р о с т р а н с т в е, пористо­ сти, х а р а к т е р а с т р у к т у р н ы х связей и т. д.

В геологическом ц и к л е п о р о д о о б р а з о в а н и я в з е м н о й к о р е м о ж н о в ы д е л и т ь р я д с т а д и й, х а р а к т е р и з у ю щ и х с я р а з в и т и е м оп­ р е д е л е н н ы х геологических процессов, п о д в л и я н и е м которых структура породы проходит ряд этапов развития, переходя к а ж д ы й р а з из менее равновесного в энергетическом отношении со­ с т о я н и я в более равновесное ( к в а з и р а в н о в е с н о е ). Н а п р и м е р, п р е о б р а з о в а н и е структуры при в ы в е т р и в а н и и породы н а и б о л е е интенсивно на н а ч а л ь н ы х с т а д и я х р а з р у ш е н и я, а з а т е м, по мере р а з в и т и я полного п р о ф и л я коры в ы в е т р и в а н и я, этот процесс з а ­ т у х а е т и структура постепенно переходит в к в а з и р а в н о в е с н о е со­ стояние. П о э т о м у в непрерывном процессе петрогенеза и лито­ генеза пород м о ж н о выделить описанные в ы ш е энергетические типы структур, о б р а з о в а н и е которых соответствует р а з л и ч н ы м к в а з и р а в н о в е с н ы м состояниям. У тонкодисперсных осадочных о б р а з о в а н и й, например, ф о р м и р о в а н и е д а л ь н и х к о а г у л я ц и о н н ы х с т р у к т у р с в я з а н о с з а в е р ш е н и е м процессов седиментогенеза, б л и ж н е й коагуляционной структуры — с процессами д и а г е н е з а, цементационной — с процессами к а т а г е н е з а, к р и с т а л л и з а ц и о н ­ н о й — с процессами м е т а м о р ф и з м а.

И з м е н е н и я состояния и структуры породы всегда сопровож­ д а ю т с я процессами массо- и энергообмена. П р и прогрессивном литогенезе массо- и энергообмен н а п р а в л е н в основном извне, в сторону породы, и в ы з ы в а е т упрочнение и увеличение внутрен­ ней энергии структуры. Исходя из з а к о н о в т е р м о д и н а м и к и, из­ менение энергии структуры dU при этом м о ж н о в ы р а з и т ь следу­ ющим о б р а з о м :

dU = SQ +^U IM — ЬА, (1.1) 1 где 6Q — количество тепла, переданное породе;

Ui — количество энергии, переносимое одним молем в е щ е с т в а ;

8Mi — число молей в е щ е с т в а, привносимое в систему;

бЛ — р а б о т а, с о в е р ш а е м а я при изменении о б ъ е м а системы.

П р и регрессивном литогенезе н а п р а в л е н н о с т ь массо- и энер­ гообмена о б р а т н а я : от породы в сторону внешней среды.

Д и н а м и к а структур под влиянием геологических процессов п р о я в л я е т с я не только в массо- и энергообмене, но и в измене­ нии их организованности (морфометрические и геометрические п р и з н а к и ). Д е й с т в и т е л ь н о, в процессе литогенеза дисперсных пород меняется степень агрегированности с т р у к т у р н ы х элемен­ тов, их у п а к о в к и и пространственной ориентировки, что приво­ дит к постепенной смене геометрического о б л и к а структур. Н а ­ пример, у глинистых пород по мере п о в ы ш е н и я степени их лити ф и к а ц и и в о з м о ж н ы с л е д у ю щ и е в з а и м о п е р е х о д ы геометрических типов с т р у к т у р : я ч е и с т а я - м а т р и ч н а я - т у р б у л е н т н а я.

Мерой организованности структур л ю б ы х систем я в л я е т с я э н т р о п и я, о т р а ж а ю щ а я статистический х а р а к т е р р а з л и ч н ы х со­ стояний системы. С повышением степени организованности си­ стемы ее энтропия с н и ж а е т с я. Так, а г р е г а ц и я структурных эле­ ментов, увеличение их анизометричности, повышение степени пространственной ориентации и уплотнение системы, т. е. все процессы, п о в ы ш а ю щ и е внутреннюю энергию структуры, приво д я т к с н и ж е н и ю ее с т р у к т у р н о й э н т р о п и и [ 1 5 ]. Е с л и вновь о б р а ­ титься к г л и н и с т ы м с и с т е м а м, то н а и б о л ь ш е й э н т р о п и е й среди и з в е с т н ы х типов с т р у к т у р глин о б л а д а е т я ч е и с т а я, х а р а к т е р и з у ­ ю щ а я с я м и н и м а л ь н о й степенью а г р е г а ц и и ч а с т и ц, отсутствием преимущественной ориентации частиц и агрегатов, сферичностью основных к о м п о з и ц и о н н ы х э л е м е н т о в (ячеек) и м и н и м а л ь н о й у п л о т н е н н о с т ь ю. Н а и м е н ь ш а я э н т р о п и я типична д л я т у р б у л е н т ­ ных с т р у к т у р, о б р а з о в а н н ы х к р у п н ы м и а г р е г а т а м и г л и н и с т ы х ч а с т и ц, х о р о ш о о р и е н т и р о в а н н ы м и в плоскости н а п л а с т о в а н и й и и м е ю щ и м и в ы с о к у ю степень у п а к о в к и.

П р и с р а в н е н и и степени о р г а н и з о в а н н о с т и с т р у к т у р всех ти­ пов пород, р а з в и т ы х в з е м н о й коре, видно, что н а и б о л ь ш и м и зна­ чениями энтропии обладают структуры поверхностных образо­ в а н и й ( о б л о м о ч н ы е и э ф ф у з и в н ы е п о р о д ы, коры в ы в е т р и в а н и я ), а наименьшими — глубинные магматические и метаморфические породы.

С о г л а с н о в т о р о м у н а ч а л у т е р м о д и н а м и к и, в з а м к н у т ы х си­ с т е м а х п р о т е к а ю т с а м о п р о и з в о л ь н ы е процессы, н а п р а в л е н н ы е на повышение энтропии: диспергация, разупорядочение структур­ ных э л е м е н т о в, п о в ы ш е н и е и з о м е т р и ч н о с т и (сферичности) э л е ­ ментов и т. д. [ 1 4 ]. В п р и р о д н ы х у с л о в и я х п о д д е р ж а н и е у п о р я ­ доченности и о р г а н и з о в а н н о с т и систем п р о и с х о д и т за счет э н е р ­ гии, постоянно п о г л о щ а е м о й ими извне, т. е. о т р и ц а т е л ь н о й эн­ тропии, или негэнтропии. Е с л и к о л и ч е с т в о негэнтропии п р е в ы ­ ш а е т п р и р а щ е н и е э н т р о п и и, то п р о и с х о д и т д а л ь н е й ш е е п о в ы ш е ­ ние у п о р я д о ч е н н о с т и с т р у к т у р ы, х а р а к т е р н о е д л я с а м о о р г а н и з у ­ ю щ и х с я систем. П о д о б н ы й процесс типичен д л я р а з в и т и я струк­ т у р п о р о д при прогрессивном л и т о г е н е з е и м е т а м о р ф и з м е, к о г д а п р о и с х о д и т постепенное у п р о ч н е н и е с т р у к т у р пород. С л е д о в а ­ тельно, п р о г р е с с и в н ы й л и т о г е н е з и м е т а м о р ф и з м я в л я ю т с я в с т р у к т у р н о м отношении н е г э н т р о п и й н ы м и и п р и в о д я т к с н и ж е ­ нию с т р у к т у р н о й энтропии горных пород.

П р и в ы в е т р и в а н и и р а з в и в а ю т с я о б р а т н ы е п р о ц е с с ы — дис­ пергация, разуплотнение, разориентация структурных элемен­ тов,— о б у с л о в л и в а ю щ и е с н и ж е н и е о р г а н и з о в а н н о с т и п о р о д и по­ в ы ш е н и е их с т р у к т у р н о й э н т р о п и и, п о э т о м у р е г р е с с и в н ы й лито­ генез с л е д у е т с ч и т а т ь э н т р о п и й н ы м п р о ц е с с о м.

1.1.3. Уровенный п о д х о д к изучению структур пород Т о л щ и п о р о д, с л а г а ю щ и е з е м н у ю кору, в с т р у к т у р н о м отно­ шении п р е д с т а в л я ю т собой с л о ж н о о р г а н и з о в а н н у ю систему.

В соответствии с и е р а р х и ч н о с т ь ю с т р о е н и я т а к и х т о л щ в них м о ж н о в ы д е л и т ь н е с к о л ь к о уровней о р г а н и з а ц и и в е щ е с т в а — м и н е р а л ь н ы й, г о р н о п о р о д н ы й и ф о р м а ц и о н н ы й, — к о т о р ы м соот­ ветствуют с т р у к т у р ы р а з л и ч н ы х уровней. Н а м и н е р а л ь н о м уров­ н е — это с т р у к т у р а м и н е р а л о в, на г о р н о п о р о д н о м ( ф а ц и а л ь ном) — с т р у к т у р а п о р о д, на ф о р м а ц и о н н о м — с т р у к т у р а геологи ческих т е л, с л о ж е н н ы х а с с о ц и а ц и я м и горных пород ( ф о р м а ц и я ­ ми, с у б ф о р м а ц и я м и, геолого-генетическими к о м п л е к с а м и ).

В и н ж е н е р н о й геологии с т р у к т у р ы о б ъ е к т о в з е м н о й к о р ы изу­ ч а ю т с я на всех у р о в н я х. Д а н н ы е о с т р у к т у р е м и н е р а л о в необхо­ д и м ы д л я п о н и м а н и я их м о р ф о м е т р и ч е с к и х особенностей и по­ в е р х н о с т н ы х я в л е н и й, р а з в и в а ю щ и х с я на г р а н и ц е м и н е р а л — в о ­ д а или м и н е р а л — г а з, а отсюда — поведения р а з л и ч н ы х м и н е р а ­ лов в минеральных ассоциациях. Результаты исследования с т р у к т у р на горнопородном уровне и с п о л ь з у ю т с я д л я оценки свойств п о р о д к а к м н о г о к о м п о н е н т н ы х систем, а на ф о р м а ц и о н ном уровне — д л я получения п р е д с т а в л е н и й о поведении много­ слойных т о л щ п о р о д и с л а г а е м ы х ими м а с с и в о в.

И е р а р х и ч е с к и й подход при описании с т р у к т у р геологических о б ъ е к т о в имеет в а ж н о е з н а ч е н и е д л я п р а в и л ь н о г о в ы д е л е н и я их с т р у к т у р н ы х п р и з н а к о в на к а ж д о м уровне. К с о ж а л е н и ю, э т а п р о б л е м а в и н ж е н е р н о й геологии пока не р е ш е н а до конца, в с в я з и с чем в о з н и к а е т много о ш и б о к в т р а к т о в к е понятий «струк­ т у р а породы» и « с т р у к т у р а т о л щ и ( м а с с и в а ) ». Д о н а с т о я щ е г о в р е м е н и существует мнение, что с т р у к т у р а п о р о д ы х а р а к т е р и з у ­ ется о р г а н и з а ц и е й в е щ е с т в а в н е б о л ь ш о м ее о б ъ е м е ( о б р а з ц е, ш л и ф е ), а особенности строения породы в с л о е или п л а с т е отно­ с я т с я к ее текстуре. Т а к у ю с в я з ь понятий с т р у к т у р ы и т е к с т у р ы породы с масштабным фактором нельзя считать правильной.

Л ю б а я порода имеет строго о п р е д е л е н н у ю с т р у к т у р у, т а к ж е к а к о п р е д е л е н н ы й химический и м и н е р а л ь н ы й с о с т а в ы. С т р у к т у ­ ра п о р о д ы х а р а к т е р и з у е т строение монопородного геологическо­ го т е л а, з а н и м а ю щ е г о ф и к с и р о в а н н у ю о б л а с т ь геологического п р о с т р а н с т в а. Т а к и м м о н о п о р о д н ы м телом м о ж е т быть слой, го­ ризонт или сочетание слоев, п р е д с т а в л е н н ы х о п р е д е л е н н ы м пет­ р о г р а ф и ч е с к и м типом породы. П о э т о м у х а р а к т е р и с т и к а структу­ ры породы в о т р ы в е от особенностей строения о б р а з у е м о г о ей геологического т е л а л и ш е н а внутренней л о г и к и.

И з у ч е н и е с т р у к т у р пород часто в е д е т с я на р а з л и ч н ы х м а с ­ ш т а б н ы х у р о в н я х. П р и этом на к а ж д о м уровне в н и м а н и е акцен­ т и р у е т с я на р а з н ы х особенностях с т р у к т у р ы. П р и изучении с т р у к т у р ы п о р о д ы в о б н а ж е н и и о т м е ч а ю т с я д е т а л и, часто неви­ д и м ы е в о б р а з ц е : н а л и ч и е о т д е л ь н о с т е й, крупной слоистости, включений, литогенетической т р е щ и н о в а т о с т и и т. д. П р и иссле­ д о в а н и и с т р у к т у р ы п о р о д ы в о б р а з ц е в и з у а л ь н о или с п о м о щ ь ю л у п ы о т м е ч а ю т с я д р у г и е п р и з н а к и с т р у к т у р ы : зернистость, сте­ пень о к р и с т а л л и з о в а н н о с т и, с л а н ц е в а т о с т ь и т. д. И з у ч е н и е с т р у к т у р ы п о р о д ы в ш л и ф е или а н ш л и ф е с применением оптиче­ ских или э л е к т р о н н ы х м и к р о с к о п о в п о з в о л я е т у с т а н о в и т ь многие тонкие д е т а л и с т р о е н и я п о р о д : м о р ф о м е т р и ч е с к и е особенности с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, х а р а к т е р их в з а и м о д е й с т в и я, м и к р о с л о ­ истость, н а л и ч и е ц е м е н т а и т. д.

С у щ е с т в о в а н и е м а с ш т а б н о г о ф а к т о р а, по мнению Е. М. С е р ­ геева и Г. Г. И л ь и н с к о й, в ы з ы в а е т необходимость и з у ч а т ь струк­ т у р у глинистых п о р о д на трех м а с ш т а б н ы х у р о в н я х : м а к р о -, мезо- и м и к р о у р о в н е. Т а к о й п о д х о д к и с с л е д о в а н и ю с т р у к т у р со­ в е р ш е н н о н е о б х о д и м и п о л н о с т ь ю о п р а в д а н, но п р е д с т а в л я е т с я ц е л е с о о б р а з н ы м в ы д е л е н и е не трех, а двух м а с ш т а б н ы х уровней и с с л е д о в а н и й : м а к р о - и м и к р о у р о в н я. Н а первом в ы я в л я ю т все особенности строения породы в о б н а ж е н и и и о б р а з ц е в и з у а л ь ­ но, а на втором — с п о м о щ ь ю оптических и р а с т р о в ы х э л е к т р о н ­ ных м и к р о с к о п о в. В ы д е л е н и е м е з о у р о в н я н е ц е л е с о о б р а з н о, т а к к а к отсутствуют четкие м а с ш т а б н ы е критерии р а з г р а н и ч е н и я особенностей с т р у к т у р на микро- и м е з о у р о в н е.

Д л я полной и всесторонней о ц е н к и с т р у к т у р г л и н и с т ы х по­ род н е о б х о д и м о п р о в о д и т ь их изучение на обоих м а с ш т а б н ы х уровнях. К сожалению, в настоящее время такое исследование п р о в о д и т с я не во всех с л у ч а я х. Ч а с т о м а к р о с к о п и ч е с к и е описа­ ния с т р у к т у р ы д е л а ю т с я в о т р ы в е от м и к р о с к о п и ч е с к и х и н а о б о ­ рот. Б о л ь ш и н с т в о с у щ е с т в у ю щ и х к л а с с и ф и к а ц и й с т р у к т у р гли­ нистых п о р о д о с н о в а н о на р а с с м о т р е н и и о п р е д е л е н н ы х п р и з н а ­ ков, в ы д е л я е м ы х при их м а к р о с к о п и ч е с к о м или м и к р о с к о п и ч е ­ ском описании.

Ч т о б ы п о д ч е р к н у т ь, ч т о и с с л е д о в а н и я ведутся на о п р е д е л е н ­ ном м а с ш т а б н о м у р о в н е, при описании с т р у к т у р т о н к о д и с п е р с ­ ных пород и с п о л ь з у ю т с я п о н я т и я « м и к р о с т р у к т у р а » ( м и к р о с т р о ­ ение) и « м а к р о с т р у к т у р а » ( м а к р о с т р о е н и е ). И з этих с о о б р а ж е ­ ний слово м и к р о с т р у к т у р а вынесено в н а з в а н и е э т о й р а б о т ы.

О б а п о н я т и я следует р а с с м а т р и в а т ь к а к м а с ш т а б н ы е, а не и е р а р х и ч е с к и е ;

в э т о м с м ы с л е они и с п о л ь з у ю т с я и при последу­ ющем изложении материала.

1.2. СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С т р у к т у р а породы о п р е д е л я е т с я с о с т а в о м, к о л и ч е с т в е н н ы м соотношением и в з а и м о д е й с т в и е м ее к о м п о н е н т о в. П р и этом под к о м п о н е н т а м и п о р о д ы п о н и м а ю т ее т в е р д у ю, ж и д к у ю и г а з о о б ­ разную составляющие [7]. Структуры пород образуются твер­ дыми (минеральными) структурными элементами, слагающими с т р у к т у р н ы й скелет, и п о р а м и, з а п о л н е н н ы м и п о д в и ж н ы м и ( ж и д ­ ким и г а з о в ы м ) компонентами породы. Сочетание в объеме т в е р д ы х э л е м е н т о в с п о р а м и х а р а к т е р и з у е т внешний о б л и к с т р у к т у р ы. П р и изучении с т р у к т у р ы п о р о д ы б о л ь ш о е з н а ч е н и е имеет р а с с м о т р е н и е с т р у к т у р н ы х особенностей ее о т д е л ь н ы х элементов.

1.2.1. Твердые структурные элементы и их показатели П о д т в е р д ы м и с т р у к т у р н ы м и э л е м е н т а м и следует п о н и м а т ь э л е м е н т а р н ы е м и н е р а л ь н ы е ч а с т и ц ы, з е р н а и их а с с о ц и а ц и и, оп­ р е д е л я ю щ и е п р и р о д н у ю дисперсность п о р о д ы и ф о р м и р у ю щ и е ее с т р у к т у р н ы й скелет. В г л и н и с т ы х п о р о д а х в ы д е л я ю т с л е д у ю ­ щие с т р у к т у р н ы е э л е м е н т ы : п е р в и ч н ы е г л и н и с т ы е ч а с т и ц ы, у л ь трамикроагрегаты, микроагрегаты, агрегаты, зерна, а т а к ж е в к л ю ч е н и я о с т а т к о в м и к р о ф а у н ы и ф л о р ы, м и к р о к р и с т а л л о в со­ лей и рудных минералов [ 6 ].

Первичные глинистые частицы представлены микрокристал­ л а м и г л и н и с т ы х м и н е р а л о в, к о т о р ы е устойчивы к м е х а н и ч е с к и м и ф и з и к о - х и м и ч е с к и м в о з д е й с т в и я м. Ч а с т и ц ы глинистых м и н е р а ­ л о в и м е ю т в и д тонких и з о м е т р и ч н ы х или в ы т я н у т ы х п л а с т и н о к, ч е ш у е к, т р у б о ч е к. Р а з м е р г л и н и с т ы х ч а с т и ц во многом о п р е д е ­ л я е т с я их м и н е р а л ь н ы м составом и в а р ь и р у е т от д е с я т ы х долей н а н о м е т р а ( м о н т м о р и л л о н и т ) до н е с к о л ь к и х м и к р о м е т р о в ( к а о ­ л и н и т ). П о д р о б н о е о п и с а н и е особенностей ч а с т и ц г л и н и с т ы х ми­ н е р а л о в с о д е р ж и т с я в р а б о т а х Л. Г. Р е к ш и н с к о й, X. Б ь ю т е л с п е й ч е р а и X. М а р е л а.

Отдельные частицы в глинистых породах, как правило, объ­ единены в у л ь т р а м и к р о а г р е г а т ы и м и к р о а г р е г а т ы. П е р в ы е п р е д ­ с т а в л я ю т собой а с с о ц и а ц и и из н е с к о л ь к и х частиц, обычно в з а и ­ м о д е й с т в у ю щ и х по типу б а з и с — б а з и с и и м е ю щ и х п л а с т и н ч а т у ю или л и с т о о б р а з н у ю ф о р м у. Н а и б о л е е х а р а к т е р н ы у л ь т р а м и к р о ­ агрегаты для смектитов и смешаннослойных минералов, д л я ко­ т о р ы х п о н я т и е первичной ч а с т и ц ы я в л я е т с я н е о п р е д е л е н н ы м, по­ с к о л ь к у оно п о д р а з у м е в а е т ч а с т и ц у т о л щ и н о й в один или не­ с к о л ь к о э л е м е н т а р н ы х слоев к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы. В при­ р о д н ы х г л и н и с т ы х о б р а з о в а н и я х эти м и н е р а л ы в с т р е ч а ю т с я в виде д о с т а т о ч н о п л о т н ы х с к о п л е н и й глинистого м а т е р и а л а, ко­ т о р ы е п р а в и л ь н е е с ч и т а т ь не первичной ч а с т и ц е й, а у л ь т р а м и к роагрегатом. При определенных условиях ультрамикроагрега­ ты о б р а з у ю т и д р у г и е г л и н и с т ы е м и н е р а л ы ( к а о л и н и т, г и д р о ­ с л ю д ы ). Д л и н а у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в и з м е н я е т с я от д о л е й до нескольких м и к р о м е т р о в. В а ж н а я особенность у л ь т р а м и к р о а г р е ­ г а т о в — их д о с т а т о ч н о в ы с о к а я прочность. У л ь т р а м и к р о а г р е г а ­ ты не р а з р у ш а ю т с я (или р а з р у ш а ю т с я частично) при п о д г о т о в к е глин к г р а н у л о м е т р и ч е с к о м у а н а л и з у с п р и м е н е н и е м с п е ц и а л ь ­ ных м е х а н и ч е с к и х и ф и з и к о - х и м и ч е с к и х м е т о д о в. П о э т о м у при г р а н у л о м е т р и ч е с к о м а н а л и з е, н а п р и м е р, глин м о н т м о р и л л о н и тового с о с т а в а п о л у ч а е м ы е д а н н ы е о т р а ж а ю т не п р е д е л ь н о дис­ п е р г и р о в а н н о е состояние их, а с к о р е е ультрамикроагрегатный состав.

М и к р о а г р е г а т ы п р е д с т а в л я ю т собой а с с о ц и а ц и и г л и н и с т ы х ч а с т и ц и у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в, не р а с п а д а ю щ и е с я в воде при отсутствии ф и з и к о - х и м и ч е с к и х д и с п е р г а т о р о в и м е х а н и ч е с к о г о в о з д е й с т в и я. М и к р о а г р е г а т ы — основной с т р у к т у р н ы й э л е м е н т п р и р о д н ы х глин. В з а в и с и м о с т и от м и н е р а л ь н о г о с о с т а в а, ф о р ­ мы и дисперсности п е р в и ч н ы х г л и н и с т ы х ч а с т и ц и у л ь т р а м и к р о ­ а г р е г а т о в, а т а к ж е у с л о в и й их о с а д к о н а к о п л е н и я, м и к р о а г р е г а ­ ты могут иметь р а з л и ч н у ю ф о р м у. И х р а з м е р и з м е н я е т с я от не­ с к о л ь к и х до д е с я т к о в м и к р о м е т р о в (по м а к с и м а л ь н о м у и з м е р е ­ нию).

Н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н ы м и к р о а г р е г а т ы, в к о т о р ы х глини­ стые ч а с т и ц ы и у л ь т р а м и к р о а г р е г а т ы к о н т а к т и р у ю т по б а з и с ­ ным п л о с к о с т я м или по типу б а з и с — с к о л, но п о д м а л ы м и у г л а ми н а к л о н а частиц, что приводит к о б р а з о в а н и ю анизометрич ных с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в л и с т о в а т о й, вытянутой и с л е г к а изо­ гнутой ф о р м ы (рис. 1.1,а).

К а о л и н и т ы часто о б р а з у ю т д о м е н о п о д о б н ы е м и к р о а г р е г а т ы, с о с т о я щ и е из а к с и а л ь н о о р и е н т и р о в а н н ы х первичных ч а с т и ц и у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в (см. рис. 1.1,6). В р я д е с л у ч а е в в г л и н а х п о л и м и н е р а л ь н о г о состава могут в с т р е ч а т ь с я и з о м е т р и ч н ы е мик­ р о а г р е г а т ы (см. рис. 1.1,б).

Д л я микроагрегатов монтмориллонита и смешаннослойных минералов характерна тонкая листообразная форма. Границы м е ж д у м и к р о а г р е г а т а м и п р о с л е ж и в а ю т с я плохо, и один микро­ а г р е г а т постепенно переходит в другой.

Весьма специфическую ф о р м у м и к р о а г р е г а т о в имеют смекти т ы и б о г а т ы е ж е л е з о м г и д р о с л ю д ы (нонтронит и г л а у к о н и т ).

Оба минерала образуют микроагрегаты глобулярной формы, д и а м е т р о м от н е с к о л ь к и х до д е с я т к о в м и к р о м е т р о в, с о с т о я щ и е из тонких изогнутых листочков нонтронита и п л а с т и н ч а т ы х ча­ стичек г л а у к о н и т а.

П р и о п р е д е л е н н ы х у с л о в и я х глинистые м и к р о а г р е г а т ы и пер­ вичные п ы л е в а т ы е з е р н а о б р а з у ю т более с л о ж н ы е с т р у к т у р п ы е э л е м е н т ы — глинистые (см. рис. 1.1, г) и г л и н и с т о - п ы л е в а т ы е аг­ р е г а т ы (см. рис. IЛ,г'), с о с т о я щ и е из нескольких глинистых м и к р о а г р е г а т о в, или а с с о ц и а ц и и глинистых м и к р о а г р е г а т о в с пылеватыми и тонкопесчаными зернами. Агрегаты, как правило, менее устойчивы в воде, чем м и к р о а г р е г а т ы.

В з а в и с и м о с т и от м и н е р а л ь н о г о с о с т а в а и дисперсности гли­ нистых пород, н а л и ч и я в них г и д р о к с и д а ж е л е з а, о р г а н и к и и к а р б о н а т о в, р а з м е р а г р е г а т о в и з м е н я е т с я от н е с к о л ь к и х десят­ ков до сотен м и к р о м е т р о в. В отличие от м и к р о а г р е г а т о в агрега­ т ы обычно изометричны. В п р и р о д н ы х г л и н а х а г р е г а т ы встреча­ ю т с я не всегда, а г р а н и ц ы м е ж д у ними при исследовании под оптическим и р а с т р о в ы м э л е к т р о н н ы м м и к р о с к о п а м и у с т а н о в и т ь д о в о л ь н о с л о ж н о. Л у ч ш е всего а г р е г а т ы в ы д е л я ю т с я в глини­ стых о б р а з о в а н и я х э л ю в и а л ь н о г о и г и д р о т е р м а л ь н о г о проис­ х о ж д е н и я, где их контуры п о д ч е р к и в а ю т с я г р а н и ц а м и п р е о б р а ­ з о в а н н ы х первичных зерен м а т е р и н с к и х пород. В этом с л у ч а е н а л и ч и е а г р е г а т о в у с т а н а в л и в а ю т по м и к р о т р е щ и н а м или тон­ к и м о р и е н т и р о в а н н ы м п р о с л о я м глинистых ч а с т и ц на их грани­ цах.

О р и е н т а ц и я м и к р о а г р е г а т о в внутри а г р е г а т о в м о ж е т быть са­ мой р а з л и ч н о й, но п р е о б л а д а ю т а г р е г а т ы с н е о р и е н т и р о в а н н ы м или с л а б о о р и е н т и р о в а н н ы м р а с п о л о ж е н и е м м и к р о а г р е г а т о в. К а к частный с л у ч а й в ы д е л я ю т а г р е г а т ы с высокой о р и е н т а ц и е й всего глинистого м а т е р и а л а, п о л у ч и в ш и е н а з в а н и е б л о к о в или м и к р о ­ блоков.

П е р в и ч н ы е м и н е р а л ь н ы е з е р н а в глинистых п о р о д а х пред­ с т а в л е н ы о б л о м к а м и к в а р ц а, с л ю д ы, полевого ш п а т а и кальци­ та, среди которых н а и б о л е е х о р о ш о изучены з е р н а к в а р ц е в о г о состава. П р е о б л а д а ю т и з о м е т р и ч н ы е з е р н а р а з л и ч н о й степени Рис. 1.1. Твердые структурные элементы в глинистых породах о к а т а н н о с т и и с о х р а н н о с т и (см. рис. 1.1, д, е). Р а з м е р зерен ко­ л е б л е т с я от 0,005 д о 2 мм. Х а р а к т е р н а я о с о б е н н о с т ь п е р в и ч н ы х м и н е р а л ь н ы х з е р е н — н а л и ч и е на них « р у б а ш е к » из тонкодис­ п е р с н о г о м а т е р и а л а (см. рис. 1.1, е), п р е д с т а в л е н н о г о ч а с т и ц а м и г л и н и с т ы х м и н е р а л о в, г и д р о к с и д а м и ж е л е з а, к а р б о н а т а м и, ор ганоминеральными соединениями. Наличие «рубашек» оказыва­ ет с у щ е с т в е н н о е в л и я н и е на к о н т а к т н ы е в з а и м о д е й с т в и я этих зе­ рен и их п о в е д е н и е в г л и н и с т ы х п о р о д а х.

В к а ч е с т в е в к л ю ч е н и й, особенно в м о л о д ы х г л и н и с т ы х о с а д ­ к а х м о р с к о г о и о з е р н о г о п р о и с х о ж д е н и я, ч а с т о в с т р е ч а ю т с я ос­ т а т к и м и к р о ф л о р ы и м и к р о ф а у н ы р а з л и ч н о й степени с о х р а н н о ­ сти, о б ы ч н о п р е д с т а в л е н н ы е к а р б о н а т н ы м и с к е л е т и к а м и к о к к о л и т о ф о р и д, о б л о м к а м и к р е м н и с т ы х п а н ц и р е й д и а т о м о в ы х водо­ рослей и р а д и о л я р и й, с п о р а м и и п ы л ь ц о й р а з л и ч н ы х р а с т е н и й, б а к т е р и я м и. К р о м е того, в п о р о д а х м о р с к о г о п р о и с х о ж д е н и я и г л и н и с т ы х о б р а з о в а н и я х а р и д н ы х зон н а б л ю д а ю т с я в к л ю ч е н и я р а з л и ч н ы х солей. Ч а щ е всего это к о л л о м о р ф н ы е с к о п л е н и я тон­ к о д и с п е р с н ы х к р и с т а л л о в х е м о г е н н о г о к а л ь ц и т а или н и т е в и д н ы е микрокристаллы аутигенного кальцита [ 6 ].

В м о р с к и х г л и н и с т ы х о т л о ж е н и я х нередки в к л ю ч е н и я пири­ т а, д ж а й п у р и т а и д р у г и х р у д н ы х о б р а з о в а н и й. Н а к о н е ц, многие глины с о д е р ж а т в к л ю ч е н и я о р г а н и ч е с к и х в е щ е с т в в в и д е с л а б о разложившихся органических остатков, гуминовых и других вы­ с о к о м о л е к у л я р н ы х соединений. Р а з л о ж и в ш а я с я о р г а н и к а а к т и в ­ но в з а и м о д е й с т в у е т с г л и н и с т ы м и м и н е р а л а м и, о б р а з у я на их поверхности своеобразные органоминеральные комплексы, хоро­ ш о р а з л и ч и м ы е п о д р а с т р о в ы м э л е к т р о н н ы м м и к р о с к о п о м по глобулярным агрегатам гуминовых кислот [ 6 ].

Основные характеристики твердых структурных элементов р а з м е р, степень а г р е г и р о в а н н о с т и, ф о р м а, у д е л ь н а я поверх­ ность. Р а з м е р с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в г л и н и с т ы х п о р о д м о ж е т о ц е н и в а т ь с я к о с в е н н ы м и и п р я м ы м и м е т о д а м и. В п р а к т и к е грун­ т о в е д е н и я н а и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е п о л у ч и л и п е р в ы е, осно­ в а н н ы е на и с п о л ь з о в а н и и з а в и с и м о с т и скорости о с а ж д е н и я ча­ с т и ц в ж и д к о й или в о з д у ш н о й с р е д е от их р а з м е р а. П р и этом п р и н я т о в ы д е л я т ь с л е д у ю щ и е ф р а к ц и и ч а с т и ц : г л и н и с т у ю (ме­ нее 0,001 м м ), м е л к о п ы л е в а т у ю (0,001—0,01 м м ), к р у п н о п ы л е в а т у ю (0,01—0,05 м м ), п е с ч а н у ю ( б о л е е 0,05 м м ) [7, 2 0 ]. П р и ­ меняя различные методы подготовки породы к анализу, удается у с т а н о в и т ь ее г р а н у л о м е т р и ч е с к и й и м и к р о а г р е г а т н ы й с о с т а в ы.

В п е р в о м с л у ч а е а н а л и з и р у ю т р а з м е р п е р в и ч н ы х ч а с т и ц и зерен и н а х о д я т их о т н о с и т е л ь н о е с о д е р ж а н и е в п о р о д е ;

во в т о р о м оп­ р е д е л я ю т с о д е р ж а н и е в о т д е л ь н ы х р а з м е р н ы х ф р а к ц и я х не толь­ ко п е р в и ч н ы х з е р е н и ч а с т и ц, но и в о д о с т о й к и х м и к р о а г р е г а т о в и агрегатов. Таким образом, гранулометрический состав дает п р е д с т а в л е н и е о с о д е р ж а н и и п е р в и ч н ы х зерен и ч а с т и ц в поро­ де, в то в р е м я к а к м и к р о а г р е г а т н ы й о т р а ж а е т ее п р и р о д н у ю дис­ персность, о т в е ч а ю щ у ю т е м ф и з и к о - х и м и ч е с к и м у с л о в и я м, в ко­ т о р ы х она н а х о д и т с я.

О п р е д е л е н и е р а з м е р о в т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в гли­ нистых п о р о д п р я м ы м м е т о д о м о с н о в а н о на изучении ш л и ф о в и а н ш л и ф о в с п о м о щ ь ю оптических м и к р о с к о п о в, о с н а щ е н н ы х микрометрическими насадками. Однако из-за малой разрешаю­ щ е й способности и н е б о л ь ш о й г л у б и н ы ф о к у с а т а к и х м и к р о с к о ­ пов, а т а к ж е с л о ж н о с т и п р и г о т о в л е н и я ш л и ф о в и а н ш л и ф о в, этот м е т о д не получил ш и р о к о г о р а с п р о с т р а н е н и я в и н ж е н е р н о й геологии. Н а и б о л е е часто он п р и м е н я е т с я в п е т р о г р а ф и и и ли­ тологии, где с его п о м о щ ь ю о ц е н и в а е т с я количественное соотно­ ш е н и е м е ж д у о т н о с и т е л ь н о г р у б о д и с п е р с н ы м м а т е р и а л о м (ча­ стицы р а з м е р о м б о л е е 0,01 мм) и основной т о н к о д и с п е р с н о й м а с ­ сой п о р о д ы.

У с о в е р ш е н с т в о в а н и е оптических и э л е к т р о н н ы х м и к р о с к о п о в и их соединение с Э В М с у щ е с т в е н н о р а с ш и р и л и в о з м о ж н о с т и п р я м ы х методов, о т к р ы л и п е р с п е к т и в у их п р и м е н е н и я д л я оцен­ ки п а р а м е т р о в т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в г л и н и с т ы х по­ род. П р и в е д е н н ы е в п о с л е д у ю щ и х г л а в а х х а р а к т е р и с т и к и мор ф о м е т р и ч е с к и х особенностей с т р у к т у р получены в основном с помощью прямых методов.

Н а и б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е п р я м ы е методы п о л у ч и л и при о ц е н к е ф о р м ы и х а р а к т е р а поверхности с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в.

В н а с т о я щ е е в р е м я на основе этих м е т о д о в р а з р а б о т а н р я д спо­ собов определения количественных показателей морфологиче­ ских особенностей частиц, з е р е н и пор [ 2 0 ].

В п о с л е д н е е в р е м я был р а з р а б о т а н к о л и ч е с т в е н н ы й м е т о д оценки ф о р м ы и х а р а к т е р а поверхности с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в с п о м о щ ь ю Ф у р ь е - п р е о б р а з о в а н и я ф у н к ц и и, о п и с ы в а ю щ е й кон­ тур и з о б р а ж е н и я ч а с т и ц ы [ 2 0 ]. П р и и с п о л ь з о в а н и и этого м е т о д а о ц е н к а ф о р м ы (отличие от к р у г а ) п р о в о д и т с я по к о э ф ф и ц и е н т у Р, о п р е д е л я е м о м у с первой по д е с я т у ю г а р м о н и к у с п е к т р а Ф у р ь е ( P l = P i - I o ). Коэффициенты Р 2, Р З и Р 4 дают количественную оценку х а р а к т е р а поверхности. Н а п р и м е р, к о э ф ф и ц и е н т Р 2 = = P i 1-го о т р а ж а е т о т н о с и т е л ь н у ю в е л и ч и н у к р у п н ы х неровностей, к о э ф ф и ц и е н т Р З = Рг1-зо х а р а к т е р и з у е т в е л и ч и н у м е л к о й ш е р о ­ х о в а т о с т и, а Р 4 = Р ц - з о о п р е д е л я е т с р е д н ю ю величину ш е р о х о в а ­ т о с т и поверхности.

В а ж н ы м и п о к а з а т е л я м и, х а р а к т е р и з у ю щ и м и степень р а з ­ дробленности твердых структурных элементов породы, являются в е л и ч и н а Z ) = l / d, о б р а т н а я с р е д н е м у д и а м е т р у ч а с т и ц и полу­ ч и в ш а я в к о л л о и д н о й химии н а з в а н и е дисперсности, а т а к ж е п л о щ а д ь поверхности S в единице о б ъ е м а S = S/V, названная о б ъ е м н о й у д е л ь н о й п о в е р х н о с т ь ю. Ч е м м е н ь ш е р а з м е р частиц, тем б о л ь ш е дисперсность и у д е л ь н а я о б ъ е м н а я п о в е р х н о с т ь и - наоборот. Т а к, куб с р е б р о м / = 1 - 1 0 м будет иметь дисперс­ -2 -1 - ность Z ) = I - I O м и у д е л ь н у ю п о в е р х н о с т ь S = 6• 10 м. П р и д е л е н и и г р а н е й этого к у б а п о п о л а м эти п а р а м е т р ы будут следу­ -2 -1 -2 - ю щ и м и : /5 = 2 - 1 0 м и S = 12 - Ю м. Е с л и довести р е б р о 6 - к у б а д о 1 м к м, то д л я т а к о й дисперсной системы Z) = IO м, а - S =6 м.

В грунтоведении п о м и м о п о к а з а т е л е й D и S используется величина весовой у д е л ь н о й поверхности S, к о т о р а я с в я з а н а с op о б ъ е м н о й у д е л ь н о й поверхностью S зависимостью S =S ps 0 0 op (где p s — плотность т в е р д ы х ч а с т и ц г р у н т а ).

В е с о в а я у д е л ь н а я поверхность дисперсных п о р о д в а р ь и р у е т в ш и р о к и х п р е д е л а х. Она о п р е д е л я е т с я к а к их г р а н у л о м е т р и ч е ­ ским, т а к и м и н е р а л ь н ы м с о с т а в о м. Н а п р и м е р, д л я супесей и тонких песков в е л и ч и н а S м о ж е т с о с т а в л я т ь 1—2 м / г, д л я op к а о л и н и т а S = 1 0 — 3 0 м /г. М а к с и м а л ь н о й у д е л ь н о й поверхно­ Op стью о б л а д а ю т г л и н и с т ы е породы м о н т м о р и л л о н и т о в о г о с о с т а в а с р а з д в и ж н о й к р и с т а л л и ч е с к о й р е ш е т к о й ( 5 = 40—100 м / г ).

ор Д л я н е к о т о р ы х ч а с т и ц м о н т м о р и л л о н и т о в в е с о в а я у д е л ь н а я по­ верхность м о ж е т д о с т и г а т ь 840 м /г.

О п р е д е л е н и е у д е л ь н о й поверхности с о п р я ж е н о с достаточно б о л ь ш и м и техническими т р у д н о с т я м и, с в я з а н н ы м и с н е о б х о д и м о ­ стью в а к у у м и р о в а н и я о б р а з ц а, его прецизионного в з в е ш и в а н и я и н а с ы щ е н и я р а з л и ч н ы м и г а з а м и или п а р а м и ж и д к о с т и. Н а и ­ б о л ь ш е е р а с п р о с т р а н е н и е получили а д с о р б ц и о н н ы е м е т о д ы : ад­ с о р б ц и я из п а р о в и г а з о в, а д с о р б ц и я из р а с т в о р о в. П о м и м о этих:

методов существует группа ф и л ь т р а ц и о н н ы х, а т а к ж е р а с ч е т н ы х и к о р р е л я ц и о н н ы х методов [20, 44, 5 0 ].

1.2.2. Поровое пространство Д р у г а я с о с т а в л я ю щ а я с т р у к т у р ы п о р о д ы — п о р ы, к о т о р ы е об­ р а з у ю т с я в р е з у л ь т а т е неплотного п р и л е г а н и я т в е р д ы х с т р у к т у р ­ ных э л е м е н т о в друг к другу. О б щ а я величина пористости поро­ ды, а т а к ж е р а з м е р пор и их ф о р м а з а в и с я т от р а з м е р а и ф о р м ы т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, степени их а г р е г и р о в а н н о с т и и уплотненности, х а р а к т е р а р а с п р е д е л е н и я в п р о с т р а н с т в е и т. д.

Т е о р е т и ч е с к и е р а с ч е т ы п о к а з ы в а ю т, что пористость м о д е л ь н ы х г л о б у л я р н ы х структур з а в и с и т от их у п а к о в к и и м о ж е т изме­ няться от 26 % У р о м б о э д р и ч е с к о й ячейки до 47,6 % у кубиче­ ской [27, 4 4 ].

В р е а л ь н ы х у с л о в и я х, в с л е д с т в и е полидисперсности, а н и з о метричности и м а л ы х р а з м е р о в т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в пористость г л и н и с т ы х п о р о д м о ж е т д о с т и г а т ь 60 %, а пористость с о в р е м е н н ы х илов — 90 %. В то ж е в р е м я у плотных л и т и ф и ц и р о в а н н ы х глинистых п о р о д она с о с т а в л я е т 3 0 — 3 5 %, а у а р г и л ­ литов и а л е в р о л и т о в не п р е в ы ш а е т 20 %. С л е д у е т отметить, что на величину пористости, особенно у л и т и ф и ц и р о в а н н ы х глини­ стых пород, б о л ь ш о е в л и я н и е о к а з ы в а ю т т р е щ и н ы и м и к р о т р е ­ щ и н ы. В н а с т о я щ е й р а б о т е этот вид пустотности не а н а л и з и р у ­ ется, а р а с с м а т р и в а е т с я т о л ь к о п о р о в а я пустотность.

П о м и м о о б щ е й пористости при изучении глинистых п о р о д ча­ сто в ы д е л я ю т о т к р ы т у ю, з а к р ы т у ю и э ф ф е к т и в н у ю пористость [7, 2 0 ].

О т к р ы т а я пористость х а р а к т е р и з у е т с у м м а р н ы й о б ъ е м пор, с о о б щ а ю щ и х с я м е ж д у собой, а з а к р ы т а я — о б ъ е м и з о л и р о в а н ных п о р. Э ф ф е к т и в н а я, или а к т и в н а я, пористость о п р е д е л я е т с я о б ъ е м о м с о о б щ а ю щ е г о с я порового п р о с т р а н с т в а п о р о д ы з а вы­ четом о б ъ е м а с в я з а н н о й воды ( а д с о р б ц и о н н о й, осмотической и к а п и л л я р н о й ). С в я з а н н а я вода у д е р ж и в а е т с я на поверхности ча­ стиц м о л е к у л я р н ы м и с и л а м и и не м о ж е т быть извлечена из по­ роды при свободной м и г р а ц и и поровых р а с т в о р о в. Т а к и м о б р а ­ з о м, в е л и ч и н а э ф ф е к т и в н о й пористости з а в и с и т от у д е л ь н о й по­ верхности п о р о д ы, в я з к о с т и п о р о в ы х р а с т в о р о в и г р а д и е н т а на­ пора, определяющего движение жидкости.

Р а з м е р пор глинистых п о р о д и з м е н я е т с я в ш и р о к и х преде­ л а х : от сотых д о л е й до н е с к о л ь к и х д е с я т к о в м и к р о м е т р о в. В свя­ з и с э т и м многие а в т о р ы в ы д е л я ю т н е с к о л ь к о типов пор по их р а з м е р а м. С р е д и с у щ е с т в у ю щ и х к л а с с и ф и к а ц и й пор по р а з м е ­ р а м н а и б о л е е о б о с н о в а н н о й я в л я е т с я к л а с с и ф и к а ц и я Е. М. Сер­ г е е в а [ 7 ], с о с т а в л е н н а я д л я д и с п е р с н ы х пород и п о д р а з д е л я ю ­ щ а я поры в соответствии с их генетической п р и н а д л е ж н о с т ь ю и х а р а к т е р о м п е р е д в и ж е н и я в них воды. С о г л а с н о этой к л а с с и ­ ф и к а ц и и в ы д е л я ю т с я у л ь т р а к а п и л л я р н ы е п о р ы (менее 0,1 м к м ), м и к р о п о р ы (0,1 —10 м к м ), мезопоры (10—1000 м к м ) и м а к р о ­ поры ( б о л е е 1000 м к м ).

Э т а к л а с с и ф и к а ц и я б ы л а в з я т а н а м и з а основу. О д н а к о при м о р ф о м е т р и ч е с к и х и с с л е д о в а н и я х в о з н и к л а н е о б х о д и м о с т ь ее некоторой д е т а л и з а ц и и. Это относится п р е ж д е всего к п о д р а з д е ­ л е н и ю м и к р о п о р на т о н к и е (0,1—1 м к м ), м е л к и е (1—10 м к м ) и к р у п н ы е (10— 100 м к м ). К р о м е того, з а н и ж н ю ю г р а н и ц у м а к р о пор б ы л о п р и н я т о з н а ч е н и е 100 м к м, а не 1000 м к м. Т а к и м об­ р а з о м, в п о с л е д у ю щ и х о п и с а н и я х и с п о л ь з у ю т с я с л е д у ю щ и е гра­ д а ц и и п о р : у л ь т р а м и к р о п о р ы (менее 0,1 м к м ), м и к р о п о р ы (0,1 — 100 м к м ) и м а к р о п о р ы (более 100 м к м ).

Д р у г а я в а ж н а я х а р а к т е р и с т и к а пор — ф о р м а. П о м о р ф о л о ­ гии м о ж н о в ы д е л и т ь с л е д у ю щ и е в и д ы пор [ 6 ] :

1) и з о м е т р и ч н ы е, когда отношение л и н е й н ы х р а з м е р о в д в у х н а и б о л е е р а з л и ч а ю щ и х с я сечений не п р е в ы ш а е т 1,5. Р а з м е р по­ ры в этом с л у ч а е х а р а к т е р и з у е т с я д и а м е т р о м к р у г а, о п и с ы в а ю ­ щего ее;

2) а н и з о м е т р и ч н ы е, когда о т н о ш е н и е л и н е й н ы х размеров д в у х н а и б о л е е р а з л и ч а ю щ и х с я сечений и з м е н я е т с я от 1,5 д о 10.

П р и о п и с а н и и р а з м е р а в этом с л у ч а е у к а з ы в а ю т д л и н у и ш и р и ­ ну поры (в некоторых с л у ч а я х м о ж н о у к а з а т ь т о л ь к о с р е д н ю ю ширину);

3) щ е л е в и д н ы е, у которых о т н о ш е н и е л и н е й н ы х р а з м е р о в д в у х н а и б о л е е р а з л и ч а ю щ и х с я сечений п р е в ы ш а е т 10. Р а з м е р т а к и х пор х а р а к т е р и з у е т с я т о л ь к о их ш и р и н о й.

Наличие в глинистых породах структурных элементов раз­ л и ч н ы х р а з м е р н ы х у р о в н е й о б у с л о в л и в а е т с у щ е с т в о в а н и е не­ с к о л ь к и х видов пор. В ы д е л я ю т с я м е ж ч а с т и ч н ы е, м е ж у л ь т р а м и к роагрегатные, межмикроагрегатные, межагрегатные, межзерни­ стые, м е ж м и к р о а г р е г а т н о - з е р н и с т ы е, в н у т р и з е р н и с т ы е и поры биогенного п р о и с х о ж д е н и я [ 6 ].

Рис. 1.2. Виды пор в глинистых породах М е ж ч а с т и ч н ы е п о р ы в о з н и к а ю т внутри у л ь т р а м и к р о ­ а г р е г а т о в и м и к р о а г р е г а т о в в р е з у л ь т а т е неплотного в з а и м н о г о п р и л е г а н и я п е р в и ч н ы х ч а с т и ц (рис. 1.2, а). Р а з м е р ы и ф о р м ы этих пор о п р е д е л я ю т с я м о р ф о л о г и е й в з а и м о д е й с т в у ю щ и х ча­ стиц, р а з м е р о м и х а р а к т е р о м к о н т а к т и р о в а н и я. Внутри у л ь т р а ­ м и к р о а г р е г а т о в м е ж ч а с т и ч н ы е поры имеют щ е л е в и д н у ю ф о р м у с м а к с и м а л ь н о й ш и р и н о й не более 0,1 м к м ( у л ь т р а п о р ы ). П р и отсутствии в породе у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в в м и к р о а г р е г а т а х в с т р е ч а ю т с я а н и з о м е т р и ч н ы е п о р ы ш и р и н о й до 0,5 мкм, к о т о р ы е т а к ж е м о ж н о н а з ы в а т ь м е ж ч а с т и ч н ы м и, или в н у т р и м и к р о а г р е гатными.

Межультрамикроагрегатные поры образуются м е ж д у у л ь т р а м и к р о а г р е г а т а м и и могут иметь с а м у ю р а з л и ч н у ю к о н ф и г у р а ц и ю в з а в и с и м о с т и от п р о с т р а н с т в е н н о г о р а с п о л о ж е ­ ния у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в (см. рис. 1.2, б). П р е о б л а д а ю т щ е л е в и д н ы е и а н и з о м е т р и ч н ы е п о р ы, ш и р и н а п е р в ы х с о с т а в л я е т не более 0,3 м к м, а у в т о р ы х д о с т и г а е т 1 м к м.

М е ж м и к р о а г р е г а т н ы е п о р ы в о з н и к а ю т м е ж д у мик­ роагрегатами и характеризуются большим разнообразием разме­ ров и ф о р м ы (см. рис. 1.2, в ). М о р ф о л о г и я этих пор во многом з а в и с и т от степени л и т и ф и к а ц и и глинистых пород. Д л я м о л о д ы х слаболитифицированных осадков характерны открытые меж­ м и к р о а г р е г а т н ы е м и к р о п о р ы д и а м е т р о м до 15 м к м. У г л и н и с т ы х пород средней степени л и т и ф и к а ц и и п р е о б л а д а ю т и з о м е т р и ч н ы е м е ж м и к р о а г р е г а т н ы е м и к р о п о р ы д и а м е т р о м не более 5 м к м, а у п о р о д высокой степени л и т и ф и к а ц и и — у з к и е щ е л е в и д н ы е м и к р о ­ поры ш и р и н о й до 1,5 м к м.

Прочитайте интересные книги о жизни... Ценное знание ...

М е ж а г р е г а т н ы е п о р ы в глинистых п о р о д а х встреча­ ю т с я р е д к о. Они х а р а к т е р н ы д л я н е к о т о р ы х видов э л ю в и а л ь н ы х глин и ш и р о к о р а з в и т ы у л ё с с о в ы х пород (см. рис. 1.2, г). П о р ы обычно изометричные, реже анизометричные, размер изменяется от н е с к о л ь к и х ( м и к р о п о р ы ) д о д е с я т к о в м и к р о м е т р о в.

М е ж з е р н и с т ы е п о р ы в с т р е ч а ю т с я в г л и н и с т ы х поро­ д а х с высоким с о д е р ж а н и е м п е с ч а н ы х и п ы л е в а т ы х з е р е н. Воз­ н и к а ю щ и е м е ж д у з е р н а м и и з о м е т р и ч н ы е и а н и з о м е т р и ч н ы е мик­ ропоры имеют р а з м е р ы от н е с к о л ь к и х до д е с я т к о в м и к р о м е т р о в (см. рис. 1.2, д).

П р и о п р е д е л е н н о м сочетании глинистого м а т е р и а л а и о б л о ­ мочных зерен в г л и н и с т ы х п о р о д а х о б р а з у ю т с я м и к р о п о р ы бо­ л е е с л о ж н о г о с т р о е н и я — м е ж м и к р о а г р е г а т н о - з е р н и с т ы е (см. рис. 1.2, е), п р е и м у щ е с т в е н н о и з о м е т р и ч н ы е и а н и з о ­ м е т р и ч н ы е с р а з м е р а м и от н е с к о л ь к и х до 20 м к м.

В глинистых породах, с о д е р ж а щ и х карбонатные обломочные з е р н а, а т а к ж е в к л ю ч е н и я м и к р о ф л о р ы и м и к р о ф а у н ы, встреча­ ются в н у т р и з е р н и с т ы е п о р ы и п о р ы биогенного п р о и с х о ж д е н и я. П е р в ы е имеют и з о м е т р и ч н у ю ф о р м у с ди­ а м е т р о м д о н е с к о л ь к и х м и к р о м е т р о в и о б р а з у ю т с я ч а щ е всего в зернах карбонатного состава в результате выветривания. Поры биогенного п р о и с х о ж д е н и я обычно имеют о к р у г л у ю ф о р м у и р а з м е р ы от д о л е й до д е с я т к о в м и к р о м е т р о в [ 6 ].

1.3. ОРИЕНТАЦИЯ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Р а з м е р и ф о р м а т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в и пор во многом о п р е д е л я ю т м о р ф о м е т р и ч е с к и е особенности с т р у к т у р ы, а их о р и е н т а ц и я в п р о с т р а н с т в е — ее г е о м е т р и ч е с к и е п р и з н а к и или текстуру.

П р и изучении г л и н и с т ы х п о р о д на м и к р о у р о в н е их т е к с т у р а х а р а к т е р и з у е т с я у п о р я д о ч е н н ы м состоянием частиц, м и к р о а г р е ­ г а т о в, зерен и пор, и м е ю щ и х а н и з о м е т р и ч н у ю ф о р м у. П р и э т о м не и с к л ю ч а е т с я, что э ф ф е к т п р о с т р а н с т в е н н о й о р и е н т а ц и и мо­ ж е т с о з д а в а т ь с я и з а счет р а с п о л о ж е н и я в одной плоскости изо м е т р и ч н ы х м и к р о п о р, частиц, м и к р о а г р е г а т о в и о б р а з о в а н и я микрослоистой текстуры.

Д л я количественной оценки г е о м е т р и ч е с к и х п р и з н а к о в струк­ т у р ы и з у ч а ю т н а п р а в л е н и е п р е и м у щ е с т в е н н о й о р и е н т а ц и и струк­ т у р н ы х э л е м е н т о в и степень их о р и е н т а ц и и. В о б щ е м с л у ч а е д л я т р е х м е р н о г о п р о с т р а н с т в а н а п р а в л е н и е плоскости п р е и м у щ е с т ­ венной о р и е н т а ц и и с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в в п о р о д е з а д а е т с я т р е м я у г л а м и Q, Qy, Bz, о п р е д е л я е м ы м и п о л о ж е н и е м н о р м а л е й x к п л о с к о с т я м ч а с т и ц (или у л ь т р а м и к р о а г р е г а т о в ) и н а п р а в л е н и ­ ем к о о р д и н а т н ы х осей X, Y, Z [ 2 0 ]. П р и и с с л е д о в а н и и п л о с к о г о и з о б р а ж е н и я с т р у к т у р ы ( ш л и ф а, а н ш л и ф а ) н а п р а в л е н и е пре­ и м у щ е с т в е н н о й о р и е н т а ц и и х а р а к т е р и з у е т с я л и ш ь одним у г л о м 0 к направлению напластования.

Степень, или п о к а з а т е л ь, о р и е н т а ц и и х а р а к т е р и з у е т у п о р я д о ­ ченность с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в в п л о с к о с т и о р и е н т а ц и и и оце­ н и в а е т с я по о т н о ш е н и ю числа с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, л е ж а щ и х в плоскости (или н а п р а в л е н и и ) о р и е н т а ц и и, к о б щ е м у числу а н а л и з и р у е м ы х ч а с т и ц и а г р е г а т о в или пор.

С у щ е с т в у ю щ и е методы количественной оценки п о к а з а т е л е й т е к с т у р ы г л и н и с т ы х пород м о ж н о р а з д е л и т ь на методы, п о з в о л я ­ ю щ и е о п р е д е л я т ь т е к с т у р у в о б ъ е м е и в плоскости [ 2 0 ]. К пер­ вым о т н о с я т с я м е т о д ы м а г н и т н о й а н и з о т р о п и и и рентгеновский [20, 2 9 ], ко в т о р ы м — п р я м ы е м е т о д ы непосредственного изуче­ ния о р и е н т а ц и и с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в в ш л и ф а х, с к о л а х, реп­ л и к а х или у л ь т р а т о н к и х с р е з а х с п о м о щ ь ю оптических и э л е к т ­ ронных м и к р о с к о п о в. О д н и м из н а и б о л е е р а с п р о с т р а н е н н ы х д о п о с л е д н е г о в р е м е н и был метод изучения т е к с т у р ы в ш л и ф е под оптическим м и к р о с к о п о м. М е т о д п о з в о л я е т о п р е д е л и т ь з н а ч е н и е у г л а о р и е н т а ц и и 9 т в е р д ы х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в, а по про­ с в е т л е н и ю или п о г а с а н и ю ш л и ф а, и з у ч а е м о г о в п о л я р и з о в а н н о м свете в с к р е щ е н н ы х н и к о л я х, — к о э ф ф и ц и е н т их о р и е н т а ц и и.

Значительно большими возможностями отличаются методы к о л и ч е с т в е н н о г о а н а л и з а т е к с т у р ы, о с н о в а н н ы е на п р и м е н е н и и р а с т р о в ы х э л е к т р о н н ы х м и к р о с к о п о в в сочетании с Э В М. С р е д и них следует о т м е т и т ь метод оптической д и ф р а к ц и и, ф о т о г р а м ­ метрический, метод д л и н и числа хорд, г р а д и е н т а интенсивности с и г н а л а. В а ж н о, что все они п о з в о л я ю т о ц е н и в а т ь о р и е н т а ц и ю к а к т в е р д ы х э л е м е н т о в с т р у к т у р ы, т а к и пор.

О д н и м из н а и б о л е е п е р с п е к т и в н ы х методов оценки т е к с т у р ы по п о л у т о н о в ы м и з о б р а ж е н и я м, п о л у ч е н н ы м в р а с т р о в о м э л е к т ­ ронном м и к р о с к о п е, я в л я е т с я м е т о д г р а д и е н т а интенсивности с и г н а л а [20, 4 7 ], к о т о р ы й будет п о д р о б н о р а с с м о т р е н в гл. 4, 1.4. В З А И М О Д Е Й С Т В И Е Т В Е Р Д Ы Х СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. ЭНЕРГИЯ СТРУКТУРЫ Структурные элементы, слагающие глинистые породы, взаи­ модействуют м е ж д у собой не по всей м е ж ф а з н о й поверхности, а т о л ь к о в местах их н а и б о л ь ш е г о с б л и ж е н и я — к о н т а к т а х. Ч и с л о и х а р а к т е р к о н т а к т о в — одна из в а ж н е й ш и х с т р у к т у р н ы х х а р а к ­ т е р и с т и к пород, о б у с л о в л и в а ю щ и х их с т р у к т у р н у ю с в я з н о с т ь.

Контакты между структурными элементами можно подразде­ л и т ь по их геометрии ( в з а и м н о м у р а с п о л о ж е н и ю к о н т а к т и р у ю ­ щих э л е м е н т о в в п р о с т р а н с т в е ) и ф и з и ч е с к о й п р и р о д е, т. е. х а ­ р а к т е р у д е й с т в у ю щ и х сил [ 2 1 ]. П о г е о м е т р и ч е с к о м у п р и з н а к у в ы д е л я ю т три т и п а к о н т а к т о в : б а з и с — б а з и с, б а з и с — с к о л и скол—скол.

К о н т а к т ы т и п а б а з и с — б а з и с в о з н и к а ю т в тех слу­ ч а я х, когда п л о с к и е ( б а з и с н ы е ) поверхности п л а с т и н ч а т ы х или листообразных структурных элементов расположены параллель­ но (рис. 1.3, а). П р и с б л и ж е н и и т а к и х с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в на Рис. 1.3. Геометрические типы кон­ тактов между твердыми структурны­ ми элементами глинистых пород р а с с т о я н и е, и з м е р я е м о е д е с я т к а м и н а н о м е т р о в, м е ж д у ними в о з ­ н и к а е т з н а ч и т е л ь н ы й по п л о щ а д и к о н т а к т, с п о с о б с т в у ю щ и й сни­ ж е н и ю п о в е р х н о с т н о й э н е р г и и системы и п е р е х о д у ее в б о л е е с т а б и л ь н о е состояние. К о н т а к т ы этого т и п а могут в о з н и к а т ь м е ж д у о т д е л ь н ы м и г л и н и с т ы м и ч а с т и ц а м и, их у л ь т р а м и к р о а г р е г а т а м и и м и к р о а г р е г а т а м и при п р о ц е с с а х к о а г у л я ц и и на с т а д и и с е д и м е н т о г е н е з а, а т а к ж е при д и а г е н е з е и к а т а г е н е з е п о р о д в р е ­ зультате уплотнения глинистых осадков.

К о н т а к т ы т и п а б а з и с — с к о л в о з н и к а ю т при в з а и ­ модействии между базисной поверхностью одного и боковым сколом д р у г о г о с т р у к т у р н о г о э л е м е н т а (см. рис. 1.3, б). О б р а з о ­ вание таких контактов обусловливается меньшей гидратацией б о к о в ы х с к о л о в ч а с т и ц по с р а в н е н и ю с б а з и с н ы м и п о в е р х н о с т я ­ ми, что п р и в о д и т к ф и к с а ц и и с т р у к т у р н ы х э л е м е н т о в под н е к о горым углом относительно д р у г д р у г а. В кислой среде этому спо­ собствует н а л и ч и е р а з н о и м е н н ы х э л е к т р о с т а т и ч е с к и х з а р я д о в на боковых с к о л а х и б а з и с н ы х поверхностях глинистых частиц.