Л. С. Полак НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ

Л. С. Полак
НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ
РАДИОАКТИВНОСТИ МЕЗОЗОЙСКИХ И ТРЕТИЧНЫХ
ОТЛОЖЕНИЙ ПРИКАСПИЙСКОЙ ВПАДИНЫ
1. Посчано-глипистый разрез Урало-Эмбенского нефтеносного
района многократно описывался в геологической и геофизической
литературе. Основную часть разреза, изученную бурением, соста­
вляют мезозойские и третичные отложения. Стратиграфическое
расчленение этого разреза хороню иллюстрируется данными по
опорной скважине № 2, приведенными на фиг. 1.
•Цитологический разрез представлен комплексом песчано-глинистых пород, чередование которых нарушается только карбонатными
толщами нижневолжского яруса верхней юры и сенонтурона.
Изучение гамма-активности образцов пород производилось нами
на установке «Б» стандартной методикой,* а гамма-кароттаж —
аппаратурой РК-51 и НГГК-53.
Для изучения корреляционных связей естественной радиоак­
тивности песчаных пород в основном использованы образцы пород
из отложений средней и нижней юры. Количество изученных образ­
цов указано в табл. 1 для каждой породы.
Геологический разрез третичных и мезозоя юго-восточной зоны
Прикаспийской впадины, где расположены опорные скважины № 2
и К± 5, хотя и отличается в ряде деталей, н о в общем имеет тот же
характер, что и разрез центральной зоны Урало-Эмбенского рай­
она. Поэтому приводимые ниже результаты вполне применимы
к Урало-Эмбенскому геологическому району в целом.
2. Общая картина естественного радиоактивного поля по стра­
тиграфическим горизонтам и породам, по лабораторным измере­
ниям в относительных условных единицах в сопоставлении со
сводными средними результатами гамма-кароттажа (в имп./мин.)
ряда скважин рассматриваемого района, показана на фиг. 1.
Рассмотрим разрез мезозоя и третичных снизу вверх.
* Для вопросов, рассматриваемых в нашей статье, несущественно, что при
лабораторпом определении радиоактивного излучения образцов этой методи­
кой НИИГГР значительную долю измеряемой активности составляет, вероятно,
бета-излучение.
274
Фиг. 1. Естественное радиоактивное поле опорных скважин Л» 2 и № 5 по
данным изучения образцов в сопоставлении с обобщенной характеристикой
юго-восточной зоны Урало-Эмбенского района по данным гамма-кароттажа.
ангидриты; 2 — песок; ! — песчаник; 4 — мергель; 5 — глина
пзвестковистая;
6 — глина песчаная; 7 — песок глинистый; S — известняк; в — глина.
Средние значения гамма-активности отложений нижней юры 6,1
для опорной скважины № 2 и 5,5 для опорной скважины № 5, т. е.
довольно близкие величины. В соответствии с этими значениями
сводная кривая гамма-кароттажа выделяет нижнюю юру отчетли­
вым понижением по сравнению с вышезалегающей средней юрой.
Для сроднен юры опорных скважин К° 2 и № 5 имеем, соответ­
ственно, 10,4 и 13,2, причем число образцов составляет 142.
18*
275
н
г<
о
Q.
о
в "
О
га
с
Р.
<D
О
£
О,
а
ей
М
1
с с
1
о s*>
О ь
со
со
о
со
о
со
C
M
с
^
со ^
н
<
со
со
см
см'
GO
я я
я а
ш
«
^
Q
со •
о
о
см
см
о
СМ
см
СО СО
<-д со
Г-СМ
со
СО
° °
?
—'
ОС
*-сч
СО
СО
СМ
^
OO
lCM
СОСЧ^
аГ<т со
СО
ю
о
8,5/2
СО
-J?
ТО
СМ
-г-
см
;£>
-Г
7,9/10
8,9/13
""l
10.S/5
i
СМ
СО
!>•
10,7/1
я
g?
8,2/6
о,
о
ы
СМ
см
со
со
5,4/1
2
к
S
rt
J
6,3/2
со
5*5/4
С]
СС
ч-|
СО
СО
<£>*
«
со
го
<
М
СО
о
о
—-
« 5 =
со
ю
СО
о
СМ
со
^м
СО
см"
5
4 - 1
*
Г—
Ю
СО
1
СО
-1<=>
CD
г—
со
Примечание. В числителе-
•
О.
1 5,8/1
•
8,4/1
В
10,1/3
Оксфорд j
-г келловей
i
ее
Ангидрит
Известняк . .
!
Гравелит известковпетый .
Доломит известковпетый . ,
:
Альб
средний
и
нижний
£ Л
£ S
Глина сидерптизированнан .
Мергель глинистый
Переслаивание песка и глин
Доломит глинистый, извест- .
ковистый
Песок глинистый .
1
Песчаник глинистый . . . . )
Мергель
Известняк глинистый
....
Песчаник каолшшзированный
Песчаник
....
\
1
•in
9,0/i ,
1
1
г «
»
известковистан
....
Глина
с
органичесними 1
остатками
....
\
Глина песчанистая . .
/
Глина песчанистая, извест- *
ковистая
Глина песчаная . .
1
Глина с прослойками алев- (
рита
J
Глина с прослойками песка \
Глина с прослойками аигид- >
Альб
верхНИИ
Табл, ица
ее
~ ю
со о
СМ
СО
X
см S
со —
еа
•»
а,
~~ I
1
«
оз
о
о
- X
со
СО
<ц
^
?
со
о
^
^
CD
н
ю
CD
Я
со
Г~
го
СО
^
О
S3
X
П
о
--а
z:
со
" 2?
^
к
J
о
2
см
ri
1
• сб
СЗ
§
CJ
ч-Ч гО
СО
«
- ЕО
1
<N*
—
|
СО
я
~
да 5
Р.
Оксфорд и келловей верхней юры близки по своему знамению
гамма-активности (11,8) к средней юре за счет значительной доли
глин в разрезе этих отложений.
Залегающий над ними нижпеволжский ярус верхней юры
характеризуется резким снижением естественной радиоактивно­
сти (6,9) за счет повышенной роли карбонатных пород. При этом
понижение было бы еще более резким, если разделить нижпеволж­
ский ярус на две части: верхнюю, более карбонатную, и нижнюю,
более глияистую. На сводной кривой гамма-кароттажа нижне­
волжский ярус отмечается еще более отчетливым понижением, чем
на кривой, построенной по лабораторным измерениям.
Над кровлей верхней юры залегают отложения валапжина,
которые невелики по мощности и представлены всего шестью образ­
цами. Эти отложения характеризуются значениями естественной
радиоактивности, несколько более высокими, чем нижневолж­
ский ярус, но более низкими, чем вышележащие готерив и
баррем.
Готерив представлен десятью образцами глинистых пород
и
характеризуется сродней условной величиной гамма-актив­
ности — 11,1.
Вышележащие отложения баррема представлены широким спек­
тром песчано-глинистых и иногда карбонатных пород. В отложе­
ниях баррема, изученных по 55 образцам, обращает на себя вни­
мание резкая дифференциация различных пород по величине есте­
ственной радиоактивности. Среднее значение для всего горизонта
в целом (11,5) сглаживает действительную картину, характер кото­
рой может сильно меняться за счет колебаний в литологическом
составе и в связи с изменением фаций.
Сравнивая данные о готериве и барреме, можно заключить,
что они не должны разделяться на кривых гамма-кароттажа. Дей­
ствительно, сводная кривая гамма-кароттажа не разделяет эти
стратиграфические горизонты.
В отложениях апта отмечается некоторое повышение естествен­
ной радиоактивности (12,3) по сравнению с барремом и выше­
лежащим альбом. Несмотря на резкое преобладание в разрезе
апта глин и глинистых пород, значительного повышения гаммаактивности в этих отложениях не отмечается, а на сводном разрезе
гамма-кароттажа отмечается даже небольшое понижение по сравне­
нию с барремом и альбом, что находится в противоречии с резуль­
татами лабораторных измерений. Эти обстоятельства находят свое
объяснение в возрастании песчанистое™ апта (см. табл. 1) в этой
зоне Прикаспийской впадины. Л так как сводная кривая гаммакароттажа усредняет данные по многим скважинам, то за счет
разной степени песчанистое™ глин апта на различных участках
изучаемой площади получилось отмеченное расхождение.
Альб (верхний, средний и нижний) по лабораторным измере­
ниям характеризуется некоторым понижением по сравнению с аптом за счет возрастания песчанистых и песчаных пород в его раз­
резе.
277
Преобладание карбонатных пород (мергели) в сенон-туроно
вызвало резкое понижение естественной радиоактивности до 4,3
условных единиц. Таким образом, возникает четкая граница как
между сеноп-туроном и альбом, так и между сеяон-туроном и
третичными.
Третичные отложения характеризуются несколько повышен­
ной (8,9) естественной радиоактивностью за счет глин. Интересно
отметить, что в опорной скважине № 5 сроднее значение естествен­
ной радиоактивности третичных — 9 условных единиц; такое
совпадение при значительном число образцов безусловно не может
являться случайным.
3. Средние из лабораторных измерений величины естественной
радиоактивности отдельных пород основных стратиграфических
подразделений мезозоя и палеозоя юго-восточной зоны Прикаспий^
ской впадины приведены в табл. 1. Породы в этой таблице распо­
ложены по нисходящей глинистости и возрастающей песчаннстости и карбонатности. Внизу дано среднее значение естествен­
ной радиоактивности для каждого стратиграфического горизонта.
В отношении этих взвешенных средних необходимо отметить сле­
дующее. Как известно, в случае песчано-глинистого разреза спектр
образцов, поднятых колонковым буром, искаженно представляет
действительное соотношение различных пород в разрезе скважины.
В силу относительно худшего выноса песков и песчаных разностей
и повышенной, как правило, гамма-активности глин, средние воличины, полученные на основе изучения отдельных образцов, ока­
зываются завышенными в случае отложений с преобладанием песков
и слабосцементированных песчаников и немного завышенными —
в случае преобладания в разрезе глин.
Приведенные в табл. 1 цифры позволяют сделать для есте­
ственной радиоактивности осадочных пород
рассматриваемого
района следующие выводы:
А. Величина
естественной
радиоактивности
чистых
глин
остается почти постоянной для всех изученных отложений (за
исключением двух образцов нижней юры) мезозоя и третичных.
Расхождение между максимальным и минимальным значением
гамма-активности чистых глин составляет всего 1 0 % .
Если сопоставить с этим тот факт, что в рассматриваемом рай­
оне не отмечено монтмориллонитовых глин, а в основном встре­
чаются иллитовые (монотермиты) глины, адсорбционная способ­
ность которых приблизительно постоянна, то наблюденное постоян­
ство гамма-активности находит свое объяснение.
Однако это постоянство заставляет сделать некоторые дополни­
тельные предположения:
а) радиоактивные элементы не поднимались с мигрирующими
водами из глубинных (в том числе, изверженных) пород, так как
при этом естественно было бы ожидать большую гамма-активность
в нижней части разреза и затухание ее в более молодых отложениях:
б) возможно, что радиоактивные элементы адсорбированы
частицами
глинистой
породы (точнее говоря, частицами бу-
1
278
дущей глинистой породы) до их отложения в изучаемом раз­
резе. Так как область сноса
мало изменялась для данного
района, то налицо просто результат статистического распреде­
ления;
в) так как поглощающая способность глинистых частиц (как
ото показывают простые опыты) по отношению к радиоактивным
элементам далеко не насыщена, то отмеченное выше постоянство
указывает на большое постоянство в течение длительных геологи­
ческих времен условий миграции и распределения этих элементов.
Эти вопросы нуждаются, конечно, в дополнительном специаль­
ном исследовании.
Б. Никакой зависимости естественной радиоактивности отдель­
ных пород от глубины их залегания или от возраста не отмечается.
В. Отсутствуют какие-либо отчетливые тенденции изменения
средней естественной радиоактивности отдельных стратиграфиче­
ских горизонтов с глубиной их залегания или возрастом.
Г. Максимальное значение гамма-активности у глин чистых,
среднее — у песков и песчаников, минимальное — у органогенных,
карбонатных и хемогепных пород.
4. Нами рассмотрена коррелятивная связь естественной радио­
активности пород (т. е. содержания радиоактивных элементов в по­
роде) с содержанием в ней карбонатов, полной пористостью, сред­
ней удельной поверхностью зернистой породы IT содержанием
глинистой фракпии.
Хотя сами по себе карбонаты характеризуются пониженной
радиоактивностью, однако для песчапо-глинистых пород скольконибудь отчетливой связи между содержанием радиоактивных эле­
ментов и содержанием С а С 0 отметить не удается. Отсутствие
связи между естественной гамма-активностыо и карбонатностыо
объясняется тем, что в условиях мезозоя Урало-Эмбенского района
карбонатный материал в песчаных породах присутствует почти
исключительно в виде так называемого известковистого цемента,
содержание которого в породе по весу невелико.
Если для песчано-глинистых пород искать коррелятивную связь
естественной радиоактивности с пористостью, то коэффициент
корреляции оказывается крайне низким (—0,2).
Таким образом, изменение пористости в очень малой степени
влияет на количество радиоактивных элементов, заключенных в по­
роде. Независимость естественной радиоактивности от пористости
обусловлена тем, что, как, правило, содержание радиоактивных
солей, растворенных в заполняющей поры воде, невелико. Основ­
ная часть радиоактивных элементов в осадочной толще мезозоя
находится в адсорбированном состоянии в оболочках гранул и
мицелл. Это подтьерждается как изучением естественной радио­
активности Пластовых вод, которая очень низка, так и определе­
нием радиоактивности образцов после многократного промывания
их. Величина естественной радиоактивности при этом изменяется
всего на 10—12%, что объясняется тем, что радиоактивные эле­
менты находятся в водных оболочках частиц осадочной породы,
3
279
которые простым промыванием но только не удаляются, но и струк­
турно не нарушаются, в то время как норовая вода с растворен­
ными в ней солями полностью вымывается и заменяется дистил­
лированной промывочной водой.
Более тесная связь существует между содержанием радиоак­
тивных элементов и средней удельной поверхностью зернистых
пород, вычисляемой по обычной формуле. Для этой связи коэффи­
циент корреляции равен 0,47. Такой сравнительно низкий коэффи-
Ф и г . 2. Г р а ф и к з а в и с и м о с т и
естественной
г а м м а - а к т и в н о с т и от с о д е р ж а н и я г л и н и ­
с т о й р е а к ц и и (по данным о п о р н о й с к в а ­
жины № 2).
1 — песок: 2 — песчаник; 3 — песок глинистый;
4 — песчаник
каолинизированный; 5 — глина;
в — глина песчаная.
Ф и г . 3. Г р а ф и к
зависимости
аномалий естественной р а д и о ­
а к т и в н о с т и на к р и в о й гамма к а р о т т а ж а от с о д е р ж а н и я глини­
с т о й фракции (по данным о п о р ­
ной с к в а ж и н ы № 2) у= 3601g
Сгл—120
1 — песок; 2 — песок
глинистый;
3 — глина; 4—глина песчанистая;
5 — песчаник; б — песчаник као­
линизированный.
циент корреляции, но всей вероятности, объясняется тем, что
сорбция радиоактивных элементов в породе происходит не на
поверхности частиц, а в окружающих эти частицы диффузных и
ионных оболочках. Поверхность же этих оболочек, величина кото­
рой, конечно, имеет важнейшее значение для адсорбции радиоак­
тивных элементов, отнюдь не связана каким-либо простым соот­
ношением с величиной средней удельной поверхности зернистых
280
пород, так как зависит прежде всего от их химико-минералогиче­
ской структуры.
В отличие от рассмотренных весьма слабых связей, между
естественной радиоактивностью и содержанием глинистой фракции
налицо очень тесная коррелятивная связь.
На фиг. 2 приведены соответствующие точки, причем на оси
ординат в линейном масштабе отложена гамма-активность в услов­
ных единицах, а на оси абсцисс — содержание глинистой фракции
в процентах по весу в логарифмическом масштабе.
Коэффициент корреляции между естественной радиоактивностью
породы и логарифмом содержания глинистой фракции в ней очень
высокий. Он равен + 0 , 9 3 . Таким образом, прекрасная линейная
корреляция имеет место между величиной естественной радио­
активности и логарифмом содержания глинистой фракции. Так как
коэффициент корреляции -f-0,93, то связь эта почти функциональ­
ная.
Можно утверждать, что естественная радиоактивность пород
мезозоя Прикаспийской впадины определяется содержанием гли­
нистой фракции в них.
Обозначим:
у— естественная радиоактивность в условных единицах;
Сгл — содержание глинистой фракщ и в весовых процентах.
Тогда уравнение регрессии у на С
у = 10,7. Ig C
r a
г л
будет
-7,7,
где чертой сверху обозначено среднее значение
у.
При таком высоком коэффициенте корреляции (0,93) число взя­
тых определений вполне достаточно. В самом деле, подсчеты выпол­
нены нами дважды: один раз для 67, а другой раз для 49 образцов.
Поэтому, согласно критерию надежности определений коэффициента
корреляции и уравнения регрессии получим 0,93 • ] / 6 7 — 1 > 3,
0,93 • |/49 — 1 > 3, т. е. корреляция вполне надежная.
Уравнение регрессии lg С на у будет иметь вид
г л
ГТб'гл = 9,2. Ю "
причем дисперсия его
-у+
2
0,76,
dz 0 , 1 , или, преобразуя,
Сл =
5,75-е ' - "*.у.
2 1
Г
2
1 0
Чтобы оценить возможную погрешность при определении гли­
нистости но величине естественной радиоактивности, примем дис­
персию регрессии Е lg С
равной относительной ошибке
г л
Л Ig С
"
Л%С
г л
тл
281
После несложных преобразований получим окончательно
АС
7т
ГЛ
_ ^,0,1
—
^ГЛ
я
Из этой формулы следует, что ошибка растет с ростом глинисто­
сти породы. Для обладающих коллекторскими свойствами песчаных
пород (глинистость до 3 0 % ) , данные о которых для нас наиболее
ценны, ошибка в определении глинистости по радиоактивности
сравнительно невелика, во всяком случае, гораздо меньше, чем
для сильно глинизированных пород. Например, при глинистости
АС
1 0 % относительная ошибка -уг^ = 0,25; при глинистости 1 5 % —
°гл
0,30; а при глинистости 7 5 % — 0,53.
Необходимо отметить, что образцов песчанистых пород с содер­
жанием глинистой фракции, меньшим 1 0 % , в нашем распоряжении
не было, поэтому найденная конкретная форма (уравнение) зави­
симости естественной гамма-активности пород от содержания гли­
нистой фракции имеет смысл только до нижней границы в 1 0 % .
С верхней границей дело обстоит проще, так как там кривая выполаживается.
В области же содержания глинистой фракции < 1 0 % закон
рассматриваемой зависимости может быть другой или даже такой
же, но с другими коэффициентами пропорциональности. Продол­
жить кривую фиг. 2 в эту область нельзя, так как там отсутствуют
наблюденные точки и уравнение регрессии теряет смысл. Можно
также отметить, что при низких процентах содержания глинистых
частиц статистическое усреднение может уже не иметь места.
Для того, чтобы сопоставить результаты лабораторного изу­
чения гамма-активности кернового материала и гамма-кароттажа,
пами были обработаны материалы гамма-кароттажа в отложениях
средней и нижней юры той же опорной скважины № 2 (фиг. 3).
Величина естественной гамма-активности отдельных пластов оп­
ределялась в имп./мин. при
регистрации прибором РК-51.
Численное значение имп./мин. бралось на глубине, соответству­
ющей глубине подъема керна, гранулометрический состав которого
был определен в лаборатории. Встреченные породы представлены
чистыми и глинистыми песками, песчаниками с известковистым
цементом, песчаниками каолинизированными и глинами песча­
нистыми.
Число наблюденных точек не очень велико, но критерий на­
дежности удовлетворен, так как линейный коэффициент корреляции
весьма высок ~ + 0 , 9 .
Таким образом, проведенная прямая связи аномалии кривой
гамма-кароттажа с логарифмом содержания глипистой фракции
в процентах по весу достаточно обоснована.
Уравнение регрессии имеет вид
y = 3601gCra — 1 2 0 .
282
Это уравнение того же вида, что и вышеприведенное уравнение
для зависимости измеренной в лаборатории гамма-активности or
логарифма содержания глинистой фракции. Различие в наклоне
полученных прямых обусловлено дополнительным усреднением и
обобщением гранулометрического состава образца на пласт (что
имеет место на фиг. 3) и различным характером измерения гаммаактивпости в обоих случаях.
Следовательно, можно считать несомненным, что в области
содержания глинистой фракции в песчаных породах от 1 0 % до 8 0 %
закон, связывающий с ней гамма-активность, имеет вид
y =
Al C .- ±B,
g
T
l
коэффициенты в котором должны быть определены эксперимен­
тально.
Определение содержания глинистой фракции в песчаных поро­
дах может быть в условиях рассматриваемого разреза произведено
по кривой гамма-кароттажа на основе найденной зависимости для
песчаных пород. Можно предполагать, что эта зависимость имеет
общее значение.
Физическое обоснование вида этой зависимости может состоять
в том, что гамма-активность песчаных пород с ростом их глини­
стости должна стремиться к величине гамма-активности глин,
имеющей постоянное значоние.
Было бы, конечно, желательно теоретически вывести устано­
вленную экспериментально зависимость естественной радиоактив­
ности от содержания глинистой фракции в песчаных породах.
ВЫВОДЫ
1. Установлена возможность стратиграфического и литологического расчленения мезозойских и третичных отложений При­
каспийской впадины по данным измерений естественной радио­
активности.
2. Естественная радиоактивность чистых глин рассматриваемого
геологического района имеет одну и ту же величину, вне зависи­
мости от их возраста и глубины залегания.
3. Не отмечается никакой зависимости естественной радио­
активности отдельных пород от их возраста или глубины зале­
гания.
4. Коррелятивная связь естественной радиоактивности с карбонатностью песчаных пород отсутствует, связь с пористостью
очень слабая, а со средней удельной поверхностью зернистых
пород слабая.
5. Естественная радиоактивность песчаных пород находится
в тесной коррелятивной, почти функциональной связи с содержа­
нием в них глинистой фракции. Закон этой связи логарифмический.
6. В третичных и мезозойских отложениях Прикаспийской впа­
дины содержание глинистой фракции в песчаных породах (кол­
лекторах) можно определять по кривой гамма-каротгажа с точ­
ностью ~ 25—35%.