Petrofyzika – Hustota, pórovitost, propustnost Martin Chadima (František Hrouda a Marta Chlupáčová) AGICO, s.r.o., Brno (chadima@agico.cz) Geologický ústav AV ČR, v. v. i., Praha 1. Mineralogická hustota – hustota pevné fáze horniny, která se řídí nerostným složením 2. Objemová hustota – hustota suché horniny včetně pórů nebo včetně tekutiny (vody) v pórech, závislá na složení hornin i na pórovém prostoru a jeho výplni 3. Pórovitost – udává relativní velikost pórového prostoru 4. Propustnost (permeabilita) – schopnost propouštět tekutiny vlivem gradientu napětí Studované vlastnosti hornin Horniny se skládají z pevné fáze (minerály), kapalné fáze (voda, ropa) a plynné fáze (plyn v pórech). Tekutina Plyn Kapalina Hustotní skok na hranici pláště a jádra potvrzuje seismologie, ale existuje několik modelů k jeho vysvětlení. Na hranici Moho je hustota svrchního pláště 3,3 g/cm3 Hustotní stavba Země Gravimetrická mapa České republiky Hustota = specifická hmotnost = hmotnost objemové jednotky Hustota: D = m/V (rozměr kg.m-3 [SI], g.cm-3 [CGS]) • Mineralogická hustota Dm = mt / Vt • Objemová hustota Do = mt / V Metody měření: • Do , Dm - metoda trojího vážení • Dm - pyknometrická metoda mt - hmotnost pevné fáze Vt - objem pevné fáze V - celkový objem Vp - objem pórů Hustotní parametry 1. Mineralogická hustota • Mineralogická hustota (Dm) - hustota pevné fáze horniny • Poměr hmotnosti pevné nerostné složky a jejího objemu Dm = mt / Vt kde mt - hmotnost pevné fáze, Vt - objem pevné fáze • Skalární charakter • Závisí pouze na nerostném složení • Vážený průměr hustot jednotlivých minerálů podle jejich objemového zastoupení • Mineralogickou hustotu lze přibližně vypočítat, známe-li objemové zastoupení jednotlivých minerálů, např. z planimetrické analýzy • Zjišťuje se v laboratoři na velkých vzorcích (100 – 250 g) 2. Objemová hustota • Objemová hustota (Do) • Poměr hmotnosti suché horniny (bez tekutiny v pórech) k jejímu celkovému objemu DO = mt / V kde mt - hmotnost horniny, V – celkový objem • Důležitý parametr pro geofyzikální interpretace i ve stavebnictví • V horninách s přibližně konstantní mineralogickou hustotou je negativní lineární korelace mezi objemovou hustotou a pórovitostí • V přírodních podmínkách se suché horniny téměř nevyskytují, pórový prostor je částečně nebo úplně pod hladinou spodní vody • Přirozená hustota (Dn), kde se musí uvažovat hmotnost horniny + hmotnost tekutiny v pórech (voda, ropa, plyn) 3. Pórovitost • Pórovitost (P) – poměr objemu pórů k celkovému objemu suché horniny P = Vp / Vd [%] • Základní parametr charakterizující pórový prostor • Skalární veličina (i když vlastní pórový prostor má často strukturu, podmiňující anizotropii vlastností, které jsou na pórovém prostoru závislé) • Pórovitost vypovídá pouze o relativní velikosti pórů • Celková pórovitost – zahrnuje všechny póry (bez ohledu na to, zda komunikují nebo ne) • Otevřená pórovitost (Po) – zahrnuje jen otevřené póry (často P = Po) • Zavřená pórovitost (Pc) • Efektivní pórovitost (Pef) – poměr objemu pórů, ze kterých může být těžena ropa (charakterizuje prostor, ve které může dojít k filtraci tekutiny) 4. Propustnost • Propustnost, permeabilita (K) – schopnost hornin propouštět tekutiny vlivem gradientu napětí Q = KA / m × dp / l kde Q – průtočné množství; A – plocha, kterou tekutina kolmo protéká; m – dynamická viskozita; dp / l – změna napětí na délce l, kterou tekutina protéká • Jednotky K v soustavě SI [m2, mm2] • Dříve jednotka darcy [D] – 1D = průřez 1 cm2 propustí za 1 s 1 cm3 (20 °C čisté vody); převodní vztah: 1 D = 0,987 mm2 • V ideálním případě propustnost závisí pouze na geometrii pórového prostoru, ne na povaze filtrované tekutiny ani na nerostném složení horniny = absolutní propustnost • Skutečná propustnost je však nižší • Pro plyny je propustnost vyšší něž pro kapaliny Mineralogická hustota Hustoty minerálů Mineralogická hustota Hustoty minerálů Mineralogická hustota Hustoty hornin • závisí na minerálním složení • u hlubinných vyvřelin rostou obecně s bazicitou • u granitů s. l. závisí především na obsahu křemene a obsahu a povaze živců, varírují s obsahem slíd a amfibolu • u gaber a ultrabazik mají na ně vliv i minerály rudní 1 2 3 4 5 6 7 1. granit 2. granodiorit 3. křem. diorit 4. diorit 5. gabro 6. pyroxenit 7. peridotit Objemové hustoty hlubinných magmatických hornin Objemová i mineralogická hustota granitů stoupá s přibývajícím množstvím slíd a amfibolu Objemové hustoty granitů Dm [g/cm3] Do [g/cm3] Hustoty granitů Českého masívu Do [g/cm3] Objemové hustoty bazických a ultrabazických hornin pyroxenit harzburgit dunit Hustoty bazik a ultrabazik • závisí na složení, struktuře (sklovitá, pórovitá), stáří • jsou nižší než u intruzív stejného chemického složení • jsou nižší u neovulkanitů než u paleovulkanitů (rekrystal., deform.) • u pórových láv nízké, nejvyšší u masívní, nejnižší u pemzové textury, velmi tedy závisí na pórovitosti Objemové hustoty vulkanických hornin Dm [g/cm3] Hustoty metamorfitů Českého masívu Eklogity jsou horniny s nejvyšší hustotou v zemské kůře, až 3,5 g cm-3. (Vyšší hustoty mají jen horniny silně zrudněné a rudy.) Jejich mineralogická hustota se od hustoty objemové liší jen nepatrně, pórovitost je okolo 0,1 %. • Vyšší hustotu mají eklogity vzniklé z oceánské kůry, menší mají eklogity vzniklé z peridotitů (pokud vznikají ve stejné hloubce) • Hustota eklogitů závisí na maximální hloubce, které dosáhly při subdukci a proběhla hlavní fáze jejich metamorfózy • Hustota eklogitů klesá s intenzitou retrogrese. Symplektizace a amfibolizace hustotu eklogitů snižují. Eklogitům se hustotně blíží některé modré břidlice. Hustoty eklogitů Hustoty eklogitů ČM ultrabazity karbonatizované serpentinity serpentinizované ultrabazity karbonatity serpentinity Hustoty a serpentinizace • Migmatitizace - snižuje hustotu rul až k 2,65 g/cm3 – vliv živců a křemene • Cordieritizace - snižuje hustotu rul až k 2,68 g/cm3 - vliv křemene a cordieritu • Retrogrese eklogitů do granulitové a amfibolitové facie - snižuje hustotu až ke 2, 80 z původních 3,30 -3,50 g/cm3 - vznik plagioklasů, přeměna granátů a pyroxenů, vznik amfibolů a křemene Vysokoteplotní přeměny • Silicifikace - Do i Dm se přibližuje k hustotě křemene, zmenšuje se i pórovitost (póry se ucpávají) • Kaolinizace, zjílovatění živců - klesá Dm a výrazně Do, zvyšuje se pórovitost • Karbonatizace - v případě dolomitizace, ankeritizace a sideritizace stoupá s obsahem Fe a intenzitou procesu Do i Dm a klesá pórovitost (póry se ucpávají) • Sericitizace - stoupá Dm, někdy i Do, ale pórovitost se obvykle značně zvětšuje • Adularizace - přínos K, Na, nízkoteplotní živce. Snižuje se Dm, ale zmenšuje se i pórovitost (póry se ucpávají) • Alkalická metasomatóza - přínos K, Na - jílové minerály, alkalické živce - Dm se snižuje • Zrudnění - Do i Dm se podstatně zvyšují - viz hustoty rudních minerálů - v okolí rudních ložisek pyrit, pyrhotin, magnetit- aureoly Metasomatóza v okolí rudních ložisek • Řídicí parametry: minerální složení a významně se podílí pórovitost • Objemové hustoty jsou zpravidla nižší než u metamorfitů a hlubinných magmatitů, neplatí to pro železité slepence, dolomity, ankerity a siderity. • V pánvích existuje závislost na diagenetickém zpevnění a hloubce, ale mocnost není rozhodující pro pórovitost příkrovových sekvencí, např. karpatského flyše. • Recentní nezpevněné sedimenty se vyznačují vysokou pórovitostí, až do 50 %, a velice nízkou Do. • Nízké hustoty, jsou charakteristické pro uhlí, diatomity a organogenní břidlice. Hustoty sedimentů psamity prachovce pelity Pórovitost sedimentů Českého masívu