СПОСОБ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ
METHOD OF ESTIMATION OF SEDIMENTATION SPEED

Изобретение относится к области геологии и предназначено для оценки скорости осадконакопления карбонатных отложений по их магнитной восприимчивости.
Известен способ изучения геологических разрезов скважин с целью выявления несогласий и перерывов в осадконакоплении (см. заявку на изобретение RU 92003522, МПК G01V 1/40, G01V 1/00, опубл. 19.06.1995). Известный способ обеспечивает выявление в разрезе точек смены геологических циклов осадконакопления. Для этого известный способ определения геологических несогласий включает геофизические исследования, определение плотности пород по шламу, непрерывно отбираемому в процессе бурения, операцию разделения разреза на геологические циклы осадконакопления проводят по данным гармонического анализа кривых ГИС, преобразуя кривые ГИС в последовательности кривых - главных гармонических составляющих с периодами, равными размерам элементарных циклитов в соответствующих интервалах разреза, выявляют границы интервалов с непрерывной гармонической характеристикой, определяя тем самым точки смены циклов осадконакопления, по которым судят о местоположении несогласий.
Однако известный способ не позволяет определить скорости осадконакопления, отличные от нуля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ построения осадочных атрибутов, включающий расчет скоростей осадконакопления (см. заявку на изобретение US 2014/0278106, МПК G01V 99/00, опубл. 18.09.2014). Способ основан на известной зависимости мощности пласта от темпа седиментации и включает реконструкцию темпов седиментации по латерали и палеогеографическое моделирование формирования пласта.
Однако прототип применим только для слоев с четко выраженными поверхностями напластования и позволяет производить только качественную оценку скорости осадконакопления и не позволяет получить абсолютные значения скорости седиментации.
Задачей изобретения является обеспечение возможности количественного расчета скорости осадконакопления для любого уровня или участка карбонатной формации.
Технический результат заключается в устранении недостатков прототипа и повышении точности определения скорости осадконакопления за счет использования магнитной восприимчивости в качестве индикатора скорости осадконакопления.
i
min
э1
э2
э1
э2
э
э'
Указанный технический результат достигается тем, что способ оценки скорости осадконакопления включает измерение магнитной восприимчивости карбонатных пород на разных стратиграфических уровнях или участках разреза; построение графиков или карт значений, обратных магнитной восприимчивости, по которым судят о качественной вариации скоростей осадконакопления; вычисление скоростей осадконакопления для любого уровня или участка разреза по формуле  , где K – значение магнитной восприимчивости на уровне или участке, для которого вычисляется скорость осадконакопления; a – произвольно выбранное значение при соблюдении условия a < K в разрезе; , где V, V– скорости осадконакопления для первого и второго интервалов разреза с известной длительностью формирования соответственно, K, K – средние значения магнитной восприимчивости для первого и второго интервалов разреза с известной длительностью формирования соответственно; V и K – скорость осадконакопления и среднее значение магнитной восприимчивости, нормированное по формуле: , соответственно, для любого из двух интервалов разреза с известной длительностью формирования.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено сопоставление палеомагнитной колонки разреза «Большевик» и Шкалы геомагнитной полярности (Ogg J.G., Hinnov L.A., Huang C. Cretaceous // Gradstein F., Ogg J.G., Schmitz M.D., Ogg G.M. The Geologic Time Scale, 2012, v.1, p. 793-853) с целью определения скорости осадконакопления на двух интервалах разреза, на которых идентифицированы магнитные хроны; на фиг. 2 - график магнитной восприимчивости и график скорости осадконакопления по разрезу «Большевик»; на фиг. 3 - график магнитной восприимчивости и график скорости осадконакопления по разрезу «Коммунар». Позициями на чертежах обозначены:
1 – алеврит,
2 – фосфорит,
3 – мел,
4 – мел глинистый,
5 – флазерный известняк («узловатый» мел),
6 – мергель,
7 – мергель глинистый,
8 – перерыв в осадконакоплении,
9 – прямая геомагнитная полярность,
10 – обратная геомагнитная полярность,
11 – отсутствие данных о геомагнитной полярности,
12 – достоверная линия палеомагнитной корреляции.
Заявляемый способ основан на использовании магнитной восприимчивости (K) в качестве показателя темпа накопления карбонатных отложений.
Возможность такого подхода определяется общеизвестной обратной связью между скоростью кристаллизации кальцита и концентрацией терригенных, преимущественно глинистых, частиц в осадке. Породообразующий минерал кальцит является диамагнетиком (характеризуется отрицательной магнитной восприимчивостью), а увеличение магнитной восприимчивости до нулевых и положительных значений происходит за счет посторонних примесей в карбонатной матрице, обладающих пара- и ферромагнитным эффектом. Многие карбонатные формации формировались в удаленных от берега глубоководных частях палеобассейнов, где колебания уровня моря практически не сказывались на интенсивности терригенного привноса. Для таких объектов значения магнитной восприимчивости горных пород будут обратно пропорциональны скоростям осадконакопления.
Качественная картина вариаций скоростей осадконакопления получается путем построения графика величины, обратной K, по стратиграфическому разрезу.
э
Для получения количественной информации о скоростях седиментации на основе данных о магнитной восприимчивости необходимо располагать эталонными определениями скоростей (V), полученными с помощью традиционных методов, минимум, на двух любых интервалах исследуемого разреза.
min
i
Учитывая, что карбонатные породы зачастую диамагнитны, перед проведением расчетов необходима процедура нормировки всех значений K к положительным значениям. При пересчете магнитной восприимчивости за нулевой уровень принимается значение a < K (минимального значения K в исследуемом разрезе). Если бы этот условный нулевой уровень соответствовал истинному значению K аутигенного чистого (без аллотигенных примесей) кальцита, то скорость осадконакопления для любого уровня (интервала) разреза (V) рассчитывалась по формуле:
(1),
э
i
э
где K – среднее арифметическое значений K в «эталонном» интервале разреза (где была определена скорость V), предварительно нормированных к положительным значениям путем прибавления a:
(2),
где n – количество замеров K в пределах «эталонного» интервала разреза.
-5
-5
i
3
э1
э2
Магнитная восприимчивость природного карбоната кальция может варьировать от (–1.5) до (–0.1)*10ед. СИ (Almqvist, B. S. G., Herwegh M., Schmidt V., Pettke T., Hirt A. M. Magnetic susceptibility as a tool to study deformed calcite with variable impurity content // Geochemistry Geophysics Geosystems, 2010, v. 11, № 1, p. 1-15; Kodama K.P., Hinnov L.A. Rock Magnetic Cyclostratigraphy. – NJ: John Wiley & Sons Inc., 2015, 166 p. и др.). В слабомагнитных карбонатных толщах, K которых изменяется, как правило, от (–1) до 1-2*10ед. СИ, результаты расчета V сильно зависят от величины магнитной восприимчивости, характеризующей кальцит без аллотигенных компонент. Для вычисления истинной K аутигенного CaCOв исследуемом разрезе необходимо задействовать, минимум, два значения скоростей, определенных по разным участкам разреза (V и V).
э1
э2
При условии, что K аутигенного кальцита по разрезу есть величина постоянная, значения скоростей осадконакопления, полученные для произвольного уровня (интервала) разреза по формуле (1) при использовании как V, так и V, должны совпадать. Поэтому справедливо уравнение:
(3),
э1
э2
э
э1
э2
где K и K– K, использованные для расчета V и V, соответственно, b – разница между a и истинным значением K чистого кальцита.
После вычисления b:
(4)
э
проводится перенормировка всех значений K путем прибавления к ним b:
(5).
э
э'
Скорости осадконакопления на произвольном уровне (интервале) разреза рассчитываются, используя значения параметров V и K, соответствующими любому из двух эталонных интервалов разреза:
(6).
э1
э2
Заявляемый способ был апробирован в разрезах кампана–маастрихта «Большевик» и «Коммунар» (г. Вольск, Саратовская обл.) (Гужиков А.Ю., Беньямовский В.Н., Барабошкин Е.Ю., Гужикова А.А., Калякин Е.А., Копаевич Л.Ф., Первушов Е.М., Сельцер В.Б., Яковишина Е.В. К вопросу о нижней границе маастрихта в Саратовском Поволжье // Меловая система России и ближнего зарубежья: проблемы стратиграфии и палеогеографии. – Сб. научн. трудов / под ред. Е.Ю. Барабошкина, В.С. Маркевич, Е.В. Бугдаевой, М.А. Афонина, М.В. Черепановой. – Владивосток: Дальнаука, 2014, с. 103–106), представленных мелоподобными мергелями, с помощью палеомагнитного метода рассчитаны скорости седиментации: V = 4.8 мм/тыс. лет и V = 10.4 мм/тыс. лет, для двух интервалов, охваченных магнитозонами прямой (N) и обратной (R) полярности, соответственно (фиг. 1), по формулам:
(7),
(8),
N
R
N
R
где M и M– мощности N- и R-магнитозон, T и T – длительности хронов C32n1.n и C32n1.r, являющихся аналогами N- и R-магнитозон в шкале геомагнитной полярности (Ogg J.G., Hinnov L.A., Huang C. Cretaceous // Gradstein F., Ogg J.G., Schmitz M.D., Ogg G.M. The Geologic Time Scale, 2012, v.1, p. 793–853) (фиг. 1).
Коэффициент b был вычислен по формуле (4) на основе данных только по «Большевику», потому что в «Коммунаре» границы магнитозон – аналогов магнитополярных хронов не зафиксированы. Но, учитывая литологическое сходство объектов исследований и небольшое расстояние (4.7 км) между ними, значение a было использовано для оценки темпов седиментации в обоих разрезах. Расчеты по формуле (6) для каждого из 126 стратиграфических уровней в разрезе «Большевик» (фиг. 2)  и 73 уровней в «Коммунаре» (фиг. 3), на которых проводились измерения магнитной восприимчивости, позволили построить детальные графики вариаций скоростей осадконакопления по всем исследованным интервалам разрезов «Большевик» (фиг. 2) и «Коммунар» (фиг. 3), в то время, как палеомагнитный метод для расчета скоростей в данном случае возможно было применить только к 3,7-метровому интервалу в «Большевике», составляющему всего ~ 5% от общей изученной мощности в двух разрезах.
i
i
Полученные оценки темпов седиментации хорошо согласуются с особенностями состава и строения разрезов: минимальные значения V фиксируются на границе сенгилеевской и карсунской свит, между которыми имеется крупный гиатус (фиг. 2, 3); V для медленно накапливающихся флазерных известняков (Барабошкин Е.Ю., Веймарн А.Б., Копаевич Л.Ф., Найдин Д.П. Изучение стратиграфических перерывов при производстве геологической съемки. Методические рекомендации. М., Изд-во МГУ, 2002, 163 с.) (верхи сенгилеевской свиты) ниже, чем для остальных пород (фиг. 2, 3); более высоким, в целом, темпам формирования отложений в «Коммунаре» сопутствуют большие мощности обоих свит в этом разрезе (фиг. 3), по сравнению с «Большевиком» (фиг. 2).
Заявляемый способ расчета скоростей седиментации по магнитной восприимчивости базируется на ряде допущений, которым тем не менее могут удовлетворять многие реальные карбонатные формации:
- магнитная восприимчивость чистого (без терригенных примесей) аутигенного кальцита является константой в исследуемом разрезе,
- интенсивность аллотигенного привноса за рассматриваемый интервал геологического времени существенно не изменялась,
- увеличение K пород, по сравнению с чистым аутигенным кальцитом, обусловлено только аллотигенными примесями.
Предложенный метод наиболее эффективен в отложениях, которые формировались при минимальном терригенном привносе. В противном случае, для оценки темпов седиментации по петромагнитным данным нужно вводить маловероятное дополнительное условие – о неизменности интенсивности терригенного сноса в течение геологического времени.
-5
3
Поскольку магнитная восприимчивость внутри карбонатных толщ, лишенных терригенных примесей, варьирует, как правило, в пределах первых единиц (10ед. СИ), то результаты расчета скоростей осадконакопления сильно зависят от значений K аутигенного кальцита, которые могут изменяться в сопоставимом диапазоне, в зависимости от концентрации некоторых микроэлементов (Fe, Mn) в составе минерала (Almqvist, B. S. G., Herwegh M., Schmidt V., Pettke T., Hirt A. M. Magnetic susceptibility as a tool to study deformed calcite with variable impurity content // Geochemistry Geophysics Geosystems, 2010, v. 11, № 1, p. 1-15). Поэтому практическое использование предлагаемого метода подразумевает третье допущение, которое правдоподобно применительно к палеобассейнам с чисто карбонатной седиментацией: K чистого CaCO в исследуемом разрезе (или, другими словами, микроэлементный состав морской воды) существенно не изменялся за рассматриваемый интервал времени.
Безусловным преимуществом петромагнитного метода перед другими известными способами расчета скоростей осадконакопления является возможность оценки скорости осадконакопления на произвольном интервале разреза, вследствие чего вариации темпов формирования отложений могут быть установлены с любой требуемой детальностью. Но к недостаткам метода следует отнести неспособность к самостоятельному определению темпов седиментации. Количественный расчет с использованием данных о магнитной восприимчивости базируется на оценке скорости, полученной другим способом.