Mineralogia i petrografia łupków ordowiku i syluru
Skały macierzyste i zbiornikowe niekonwencjonalnych złóż gazu, zwane popularnie łupkami, są głównie mułowcami i iłowcami.
Mułowiec jest skałą okruchową, osadową będącą scementowanym mułem. Iłowiec jest skałą osadową w postaci skonsolidowanego iłu.
Główne składniki mułowców i iłowców to:
- kwarc (krzemionka),
- minerały ilaste,
- minerały węglanowe (kalcyt, dolomit),
- skalenie,
- łyszczyki (np. mika),
- piryt,
- fosforany,
- inne, w marginalnych ilościach.
Większość minerałów tworzących skały łupkowe ma dwojakie pochodzenie:
- allogeniczne - okruchy skał i minerałów powstały poza basenem sedymentacyjnym, w którym następnie tworzyła skała łupkowa (główny udział miał tutaj materiał terygeniczny, powstały w wyniku wietrzenia skał na lądzie). Składnikami allogenicznymi sa najczęściej: kwarc, skalenie, łyszczyki, minerały ciężkie.
- autigeniczne - tworzyły sie poprzez wytrącanie osadu z wody lub przez przemiany, jakim ulegają osady i skały już po depozycji (diageneza – np. cementacja, rekrystalizacja). Najcześciej spotykanymi minerałami tego typu są węglany.
Ponadto skały łupkowe mogą zawierać wapienne, krzemionkowe lub fosforanowe szczątki szkieletów organizmów.
Jak bada się skład mineralogiczny i petrografię łupków?
Skład mineralny i petrograficzny skał łupkowych bada się za pomocą analizy petrograficznej.
Analiza petrograficzna służy do określenia w badanych skałach:
- składu mineralnego,
- ustalenie genezy poszczególnych składników,
- tekstury (sposobu ułożenia i rozmieszczenia ziaren i stopnia wypełnienia przez nie przestrzeni w skale),
- struktury (wielkości i kształtu ziaren),
- charakterystyki przestrzeni porowej (rozmiarów, typów oraz wzajemnych powiązań pustych przestrzeni i mikroszczelin).
Skały łupkowe wykazują często dużą niejednorodność na niewielkiej przestrzeni.
Standardowe badania „łupków” obejmują określenie składu mineralnego za pomocą:
- analizy XRD (dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego),
- badania petrograficzne płytek cienkich pod mikroskopem (w świetle przechodzącym w katodoluminescencji – CL),
- analizy w SEM (skaningowy mikroskop elektronowy).
Badania XRD składu mineralnego mają na celu stwierdzenie obecności poszczególnych minerałów (analiza jakościowa) oraz ich procentowej zawartości (analiza ilościowa). Dla części próbek przeprowadza się szczegółowe ilościowe badania XRD wydzielonych minerałów ilastych.
Znajomość składu mineralnego jest bardzo ważna, ponieważ wpływa na właściwości mechaniczne skały i w konsekwencji na jej podatność na zabiegi szczelinowania. Efektem tego procesu ma być wypływ gazu.
Uzupełnieniem badań XRD są badania geochemiczne, obejmujące określenie procentowej zawartości:
- pierwiastków głównych (np. krzem - Si, glin - Al, żelazo - Fe, wapń - Ca),
- pierwiastków śladowych (np. molidben - Mo, nikiel - Ni, ołów - Pb, wanad - V),
- pierwiastków ziem rzadkich (lantanowców).
Ze względu na bardzo drobnoziarniste frakcje mineralne budujące skały łupkowe, tradycyjna metoda badań petrograficznych – analiza płytek cienkich – ma duże ograniczenia związane z możliwymi do osiągnięcia powiększeniami.
Bardzo przydatnym jej uzupełnieniem są badania w mikroskopie elektronowym (SEM), który umożliwia osiągnięcie dużych powiększeń. Badania te pozwalają na:
- zobrazowanie rozmieszczenia poszczególnych minerałów w skale (obrazy BSE – Back Scattered Electrons – polerowanych płytek cienkich),
- określenie składu chemicznego (i w konsekwencji mineralnego) w mikroobszarze (punktowe analizy wybranych ziaren bądź kryształów),
- tworzenie map rozkładu występowania poszczególnych pierwiastków, przy zastosowaniu detektorów promieniowania rentgenowskiego lub mikrosondy elektronowej.
Rozwinięciem tradycyjnego SEM jest FIB (Focused Ion Beam) – SEM umożliwiający osiągnięcie bardzo dużych powiększeń (rozdzielczość w skali nanometrów), co pozwala na badanie mikrotekstury i mikrostruktury skał łupkowych, w tym szczegółowe obrazowanie mikro- i nanoporowatości, która odgrywa niezwykle istotną rolę w magazynowaniu gazu w skałach łupkowych.
autor: Marek Jasionowski
