Грамулометрический анализ песчано-алевритовых пород
|
С помощью гранулометрического анализа осуществляется точное определение количества обломочных частиц различного размера, присутствующих в породе. Отнесение породы к классу песчаников или алевролитов производится в зависимости от того, частицы какого размера преобладают в составе данной породы. Методы гранулометрического анализа, основанные на разделении обломочных частиц путем просеивания их через систему сит или на отмучивании частиц различного размера в воде, могут применяться только к рыхлым пескам и алевритам или же к породам, сцементированным цементом (например, кальцитом), который может быть растворен без ущерба для обломочных зерен. Гранулометрия песчаников и алевролитов, сцементированных нерастворимыми цементами (например, кремнистыми), проводится путем измерения обломочных зерен в шлифах, под микроскопом. Гранулометрический анализ пород с растворимыми цементами осуществляется после обработки образцов породы соответствующими растворителями (обычно 3—5% соляной кислотой, 5—10% уксусной кислотой и др.). Существует много различных методик анализа, более или менее близких друг к другу. Часто используется так называемый комбинированный метод гранулометрического анализа, включающий отделение глинистых частиц путем отмучивания в воде и последующее рассеивание более крупных обломков на ситах. Вначале из нерастворимого остатка породы удаляются глинистые частицы размером менее 0,01 мм. Для этого нерастворимый остаток заливается водой в банке, на которой сделаны две отметки: на высоте 4 и 14 см от дна. Вода доливается до верхней метки. Обломочные частицы из суспензии начинают погружаться на дно. По формуле Стокса рассчитывают, через сколько минут все частицы крупнее 0,01 мм погрузятся ниже нижней отметки, т. е. пройдут путь в 10 см. Формула Стокса:  где V — скорость осаждения частиц сферической формы в см/с; g — ускорение силы тяжести, равное 981 см/с2; d2 — средняя плотность минеральных частиц; d1 — плотность воды при данной температуре; r — радиус частиц в см; μ — вязкость воды в сангинуазах при данной температуре. Произведя соответствующие подсчеты, узнаем, что время, за которое частицы крупнее 0,01 мм пройдут путь в 10 CM при 20°С, составит около 20 мин. Это значит, что вылив с помощью сифона столб мутной воды из банки до нижней метки, мы удалим плавающие в ней глинистые частицы, так как нa дне банки будут находиться погрузившиеся туда обломки крупнее 0,01 мм. Эту операцию повторяют несколько раз, до тех пор пока через 20 мин столб воды выше нижней метки не будет полностью прозрачным. Осторожно слив остатки воды, частицы крупнее 0,01 мм высушивают и рассеивают на ситах. Зная содержание в породе нерастворимого остатка (которое обычно определяется из параллельной пробы) и взвесив все фракции обломочных частиц, задержавшиеся на различных ситах, можно определить, какое количество глинистых частиц мы отмутили, сливая глинистую суспензию через 20 мин. Принимая весь нерастворимый остаток породы за 100%, рассчитывается содержание в породе всех размерных интервалов (определяемых использованными нами ситами), включая глинистые частицы, в процентах. Гранулометрический анализ обломочных пород в шлифах основывается на замерах диаметров обломочных зерен в случайном сечении, которое представляет собой плоскость шлифа. Измеренные в шлифе поперечники зерен группируются в размерные фракции. Соответствующая методика такого гранулометрического анализа была разработана рядом исследователей, в частности А.А. Шантаром, для серии фракций, представляющих собой геометрическую прогрессию со знаменателем 10√10 =1,258 с некоторым округлением значений размеров фракций (табл. 9.8).  Недостатком метода является то, что в шлифе- измеряются не истинные размеры зерен, а случайные сечения. При этом содержание мелких фракций будет завышаться за счет части измерений, сделанных по случайным сечениям. Для того чтобы результаты гранулометрического анализа в шлифах соответствовали действительному составу породы, вводятся поправки, устраняющие этот недостаток. Такие поправки рассчитаны теоретически. Их значения приведены в табл. 9.8, колонке 2. Для получения достаточно представительного материала в шлифе с помощью окулярной линейки необходимо замерить размеры примерно 500 зерен, перемещая шлиф препаратоводителем по системе параллельных линий. А.А. Шантар рекомендует измерять минимальный размер зерен в сечениях. Полученные результаты заносятся в табл. 9.8, колонку 3. Приняв сумму всех замеренных зерен за 100%, определяем содержание зерен F по данным замера (табл. 9.8, колонка 4) в процентах. Пересчет полученного процентного содержания фракции производится по следующим формулам:  где F1, F2, F3 ... Fn — содержание различных фракций по данным замера; Q1, Q2, Q3 ... Qn — вычисленные содержания фракций с учетом поправочных коэффициентов А.А. Шантара. После пересчета сумма процентных содержаний фракций (Q1 + Q2 + ... Qn) всегда составляет более 100% (в нашем примере 118,1%) (табл. 9.8, колонка 5). Поэтому необходимо привести псе содержания к 100%, т. е. необходим пересчет на истинное содержание зерен (табл. 9.8, колонка 6). При обобщении данных по гранулометрии пород следует помнить о том, что нельзя сравнивать результаты гранулометрических анализов рыхлых пород или пород с растворимыми цементами, которые отражают весовые процентные соотношения фракций с гранулометрическими анализами, выполненными путем измерения зерен в шлифах, где мы получаем процентные соотношения числа зерен. К недостаткам рассматриваемого метода относится также невозможность определить содержание в породе глинистых частиц, размеры которых меньше 0,01 мм. В практике работы обломки с размерами меньше 0,05—0,04 мм обычно с трудом различимы среди глинисто-кремнистой или кремнисто-хлоритовой массы цемента. Определение наименования песчано-алевритовых пород по результатам их гранулометрического анализа осуществляется с помощью классификационной треугольной диаграммы, построенной для системы песок—алеврит—глина (рис. 9.20). В зависимости от того, в какую часть диаграммы попадает точка, изображающая гранулометрический состав породы, последняя получает то или иное наименование. Нанеся на такие диаграммы серии анализов, можно наглядно показать направление изменения гранулометрической характеристики по разрезу или площади. Геологами разных стран предложены варианты выделения полей внутри классификационного треугольника (рис. 9.21).  Построение гистограмм. Простейшей формой графического изображения результатов гранулометрического анализа пород являются гистограммы (столбчатые диаграммы). Гистограмма представляет собой совокупность прямоугольников (столбиков), основания которых изображают конечные размеры фракций, а высота — содержание каждой фракции в процентах (рис. 9.22). Вместо равных условных отрезков, изображающих фракции, по оси абсцисс иногда откладывают их размеры в логарифмическом или арифметическом масштабе. Обычно распределение прямоугольников на гистограммах приближается по форме к гауссовой кривой. Наличие на гистограмме не одного, а двух максимумов (рис. 9.22, б) может указывать на образование породы за счет смешения обломочного материала, поступившего в бассейн осадконакопления из двух различных источников сноса. Чем слабее выражен па гистограмме основной максимум, тем хуже отсортированность породы.  Построение суммарных (кумулятивных) кривых. Кумулятивная кривая представляет собой график распределения обломочных частиц по размерам; в любой точке этой кривой можно определить количество (процентное содержание) зерен, характеризующихся меньшими и большими размерами. Для построения кривой по оси абсцисс откладывают в простом или логарифмическом масштабе размеры фракций, а по оси ординат (в тех же масштабах) — процентное содержание фракций. Для нанесения каждой последующей точки (фракции) ее содержание суммируется с содержанием фракций, уже нанесенных ранее. Кумулятивная кривая, приведенная на рис. 9.23, построена по данным гранулометрического анализа (табл. 9.9).   Вычисление гранулометрических коэффициентов. По результатам гранулометрического анализа вычисляются различные коэффициенты, позволяющие дать обобщенные характеристики особенностей структуры обломочных пород в численной форме и сравнивать эти породы между собой. Вопросы обоснования и вычисления таких коэффициентов рассматриваются во многих работах. Наиболее простыми и получившими широкое распространение являются следующие коэффициенты. Средний (медианный) диаметр обломков представляет собой размерность обломков, по отношению к которым более мелкие и более крупные обломки составляют по 50%. Медианный диаметр определяется по кумулятивной кривой как размерность второй квартили: Md = M мм (см. рис. 9.23). Коэффициент отсортированности породы So, или дисперсия значений размеров зерен вокруг среднего, вычисляется по формуле S'o = Q3/Q1 или же S''o = √Q3/Q1, где Q3 и Q1 — размерности третьей (75%) и первой (25%) квартилей в миллиметрах, определенных по кривой. Порода считается хорошо отсортированной, если S'o = 1/2,5 или S'o = 1/1,58; среднеотсортированной, если S''o = 2,5/4,5 или S''o = 1,58/2,12; плохо отсортированной, если So>4,5 или So >2,12. Коэффициент симметрии Sк показывает, насколько кривая распределения фракций симметрична, т. е. совпадает с гауссовой кривой, и вычисляется по формуле Sк = √Q1*Q3/Md2, где FMd — медианный диаметр, а Q1 и Q3 — квартили. Если Sк=1 — кривая распределения фракций симметрична. Если Sк>1 — максимум кривой смещен в сторону мелких фракций, если Sк<1 — в сторону крупных фракций (рис. 9.24).  Эксцесс кривой распределения фракций показывает, совпадает ли характер кривой распределения по крутизне с нормальной гауссовой кривой. Для определения эксцесса кумулятивная кривая строится на масштабе размеров фракций, выраженных через шкалу Ф Крамбейна (см. табл. 9.1), При этом эксцесс может быть определен по формуле P.Л. Фолка: K= Ф95-Ф5/2,44(Ф75-Ф25), где К — эксцесс; Ф5, Ф25, Ф75, Ф95 — размерности фракций, составляющих 5; 25; 75 и 95% в величинах шкалы Ф, определенные по кумулятивной кривой. При нормальном, гауссовом распределении К=1,0. Для Кривых распределения более пологих, чем гауссовая кривая, К≤1,0; для более крутых — К≥1,0 (рис. 9.25).  Интерпретация данных гранулометрического анализа. Известно много попыток использовать данные гранулометрии для восстановления условий накопления осадков. Анализируя полученные результаты, многие исследователи (Ф.Дж. Петтиджон, Р. К. Селли и др.) приходят к выводу, что это направление исследований было недостаточно успешным. Тем не менее в ряде работ приводится характеристика процессов накопления осадков па основе генетического графика P Пассега (рис. 9.26), построенного в координатах шкалы размерности Ф Крамбейна. На графике выделяются поля, характеризующие различные условия накопления осадков: турбидитные потоки, русловые отложения рек, градационные суспензии и т. п. |
