Кузнецов В.Г. Литология. Осадочные горные породы и их изучение

Подождите немного. Документ загружается.

Формы записи

расчетов результатов гранулометрического анализа

шлифах

Порода

Классы крупности

(гранулометриче-

ские фракции)

со

знаменателем

QTO

1,258

То

же в

делениях

окулярной линейки

ценой деления,

мм

Количество

зерен

Видимое

содер-

жание

фракции

Пере-

считан-

ные

учетом

среза-

ния

Q, %

Пересчи-

танные

на

100 %

фракции

Кумуля-

тивный

процент

Порода

Классы крупности

(гранулометриче-

ские фракции)

со

знаменателем

QTO

1,258

То

же в

делениях

окулярной линейки

ценой деления,

мм

По-

штуч-

но

Сум-

ма

Видимое

содер-

жание

фракции

Пере-

считан-

ные

учетом

среза-

ния

Q, %

Пересчи-

танные

на

100 %

фракции

Кумуля-

тивный

процент

Порода

Классы крупности

(гранулометриче-

ские фракции)

со

знаменателем

QTO

1,258

0,02 0,01

По-

штуч-

но

Сум-

ма

Видимое

содер-

жание

фракции

Пере-

считан-

ные

учетом

среза-

ния

Q, %

Пересчи-

танные

на

100 %

фракции

Кумуля-

тивный

процент

1 2 3

5 6 7

9 10

Гравий

2,00-2,50

100-125

200 - 250

Гравий

1,60-2,00

80-100 160-200

Гравий

1,25-1,60

62-80 125-160

Гравий

1,00-1,25

50-62 100-125

Песок

Круп-

ный

0,80-1,00

40-50 80-100

Песок

Круп-

ный

0,60-0,80

30-40

60-80

Песок

Круп-

ный

0,50-0,60

25-30 50-60

Песок

Сред-

ний

0,40-0,50 20-25

40-50

Песок

Сред-

ний

0,32-0,40

16-20

32-40

Песок

Сред-

ний

0,25-0,32

12-16

25-32

Песок

Мел-

кий

0,20-0,25

10-12

20-25

Песок

Мел-

кий

0,16-0,20

8-10 16-20

Песок

Мел-

кий

0,13-0,16

6,5-8 13-16

Песок

Мел-

кий

0,10-0,13

5-6,5 10-13

Алев-

рит

0,05-0,10

2,5-5

5-10

Алев-

рит

0,01

-0,05

2,5-0,5

1-5

Итого:

100,0

Математическое ожидание

Среднеквадратичное отклонение

1234 5 6 78 9 10

: :.

: :

С • . И И

Рис 4.4. Схема, объясняющая уменьшение истинных размеров обломков в

случайных сечениях: даже при пересечении шаров одного диаметра (а) в

сечении (б) получаются круги меньшие, чем круг большого диаметра. Спра-

ва для сравнения показан круг с диаметром исходного шара (в)

то случайному, но практически всегда меньшему (рис. 4.4).

Поэтому при измерении в шлифах более крупные зерна ав-

томатически переводятся в более мелкие и количество мелких

фракций будет всегда больше, чем их истинное содержание.

Отсюда возникает необходимость вводить определенные

поправки, чтобы получить истинные или хотя бы близкие к

истинным значениям. Для этого существует ряд поправочных

коэффициентов, формул, разных для различного шага гра-

ничных значений фракций.

Для наиболее распространенного стандарта с шагом гео-

метрической прогрессии

^lO расчет истинного содержания

проводится по формулам:

Oi = l,96F

;

= 1,96(F

- 0,210,);

= 1,96(F

- (0,2IO

+ 0,100,);

= 1,96 [F

(0,21

-I + 0,ЮО„-

+ 0,0750„-

+ 0,0370

-4 + 0,0280

-5 + 0,0150„-б + O

OlO

-? +

+ 0,0070л-в + 0,0050

+ 0,002(¾-,„)].

191

При этом F

— непосредственно определенное по шлифам,

т.е. видимое, содержание самой крупной фракции; F

— то

же самой малой фракции.

Использование этих поправочных коэффициентов для оп-

ределения истинного содержания фракций в шлифе предпо-

лагает измерение случайных срезов зерен, поэтому, как от-

мечено выше, нужно замерять именно случайные сечения по

линии линейки, а не стремиться замерить минимальный диа-

метр.

Результаты замеров и все расчеты удобно вести в таблич-

ной форме. Поскольку в таблицу заносятся не размеры каж-

дого конкретного зерна, а число случаев — зерен, попадаю-

щих в данную фракцию, то колонки

3 — 5

(см. табл. 4.4) со-

держат граничные значения размеров фракций (в мм) и чис-

ло делений окулярной линейки, соответствующих этим раз-

мерам. В колонке б поштучно отмечается фактическое коли-

чество зерен, попадающих в пределы соответствующих

фракций, а их сумма

—

в колонке 7.

В следующую колонку вносится рассчитанное видимое

содержание зерен каждой фракции (F) — это доля (в %) чис-

ла зерен данной фракции по отношению к общему числу зе-

рен. Учитывая, что в шлифе определяются видимые размеры

зерен, а они всегда меньше истинных, з каждой размерной

фракции этой колонки отмечаются не истинные, а именно

замеренные, уменьшенные размеры. Другими словами — сю-

да попадает часть зерен из более крупных фракций и

одновременно часть зерен этой фракции уходит в более

мелкие фракции.

Пересчет по указанным формулам исправляет эту погреш-

ность, увеличивает количество зерен за счет более мелких, и

результат пересчета вносится в колонку 9. Но сумма этих

значений всегда более 100 %. Для устранения такого эффекта

эта сумма принимается за 100 % и по отношению к ней вновь

пересчитывается содержание каждой фракции; последнее

значение (колонка 10) и принимается как истинное содержа-

ние зерен в соответствующей фракции.

Все эти расчеты можно вести по указанным формулам,

однако в настоящее время несложно разработать компью-

терную программу (сами студенты достаточно быстро ее со-

ставляют), которая после введения фактических данных за-

меров автоматически проводит все расчеты и выдает оконча-

тельный результат в табличной форме. Одновременно рас-

считываются два обобщающих показателя — математическое

ожидание (как средний размер) и среднеквадратичное откло-

192

нение (как показатель однородности или сортировки обло-

мочных зерен).

Средний размер и коэффициент отсортированности опре-

деляются также графически, что будет рассмотрено во вто-

ром разделе главы.

Для графического изображения результатов анализа и

расчета некоторых параметров необходимо подсчитать нарас-

тающий — кумулятивный процент (крайняя правая колонка).

Метод его подсчета также рассмотрен далее — во втором

разделе.

СРАВНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО

ШЛИФОВОГО МЕТОДОВ

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Два описанных выше метода отличаются друг от

друга не только техникой проведения, но и по сути. При ла-

бораторных исследованиях рассчитывается содержание

фракций по массе, изучение в шлифах дает число зерен раз-

ных фракций, что далеко не одно и то же. Так, если в песча-

нике имеется несколько гравийных зерен, то содержание

гравийной фракции, выраженное величиной ее массы, бу-

дет весьма значительно, а выраженное в числе зерен (еди-

ничны) — ничтожно.

Таким образом, делать какие-либо сравнения и тем более

генетические выводы, используя одновременно данные раз-

ных методов, в принципе невозможно. Более или менее близ-

кие результаты могут получиться лишь для относительно од-

нородных, хорошо отсортированных и не очень крупнозер-

нистых песчаных пород — при близкой минералогической

плотности зерен (в пределах

2,55 —

2,65 г/см

для основных

породообразующих минералов) число зерен во фракциях от-

носительно пропорционально их массе, однако в общем слу-

чае проводить анализ данных, полученных разными метода-

ми, нежелательно.

В связи с этим возникает вопрос, какой из методов грану-

лометрического анализа предпочтительный. Дать однознач-

ный ответ на этот вопрос нельзя — каждый из них имеет

свои плюсы и минусы.

Лабораторные методы с использованием рассеивания и

гидравлического разделения позволяют:

— изучить относительно большие объемы породы, что

обеспечивает большее усреднение и дает более достоверные

результаты для относительно крупнозернистых и плохо от-

сортированных пород;

193

— сразу же в процессе анализа разделить цемент на

две части — растворимую (чаще всего по сути дела аутоген-

ную) и нерастворимую, как правило (но не всегда!) аллоти-

генную;

— подготовить материал для дальнейших исследований,

таких, как выделение тем или иным способом акцессорных

минералов (см. далее), для изучения морфологии и характера

поверхности зерен под бинокуляром и т.д.

К основным недостаткам относятся:

— относительная трудоемкость — на выполнение одного

анализа требуется

3 — 4

дня; правда, поскольку обычно в ра-

боте находится сразу серия образцов, это время в пересчете

на один анализ существенно сокращается;

— необходимость специальной лабораторной базы, аппа-

ратуры и реактивов;

— так как работа выполняется чисто «механически», ни-

каких сведений о породе — ее минеральном составе, харак-

тере цемента и т.д. — не устанавливается; для этого необхо-

димо изучить шлиф;

— невозможно анализировать крепко сцементированные и

недезинтегрированные породы, например, с регенерацион-

ным цементом, в том числе кварцевым.

К положительным моментам гранулометрического анализа

в шлифах можно отнести;

— относительную скорость его проведения: как правило

на изучение одного шлифа и расчет результатов уходит не

более

1 —

1,5 ч;

— возможность дать подробную микроскопическую петро-

графическую характеристику породы и одновременно оха-

рактеризовать ее гранулометрический состав;

— возможность анализировать крепко сцементированные

и недезинтегрированные породы.

Недостатки метода, по сути дела, изложены в положитель-

ных сторонах лабораторного — ситового и гидравлического

анализа. Правда, в принципе, возможно в шлифах разделить

растворимый — аутогенный и глинистый цемент, однако, во-

первых, сделать это удается не всегда (например, в случае

микрозернистого карбонатного материала, равномерно дис-

персно распределенного совместно с глинистым) и, во-

вторых, раздельный замер площадей развития разных цемен-

тов разного состава резко увеличивает время анализов и

столь же существенно снижает его точность.

4.1.6. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБЛОМОЧНЫХ

ЗЕРЕН

Минеральный состав зерен, слагающих обломоч-

ные породы и являющихся примесями в других породах,

кроме изучения в стандартных шлифах, исследуют и непо-

средственно в зернах. Для этого используют фракции, полу-

ченные в результате гранулометрического анализа или в виде

нерастворимого остатка других пород — карбонатных, ре-

же солевых и т.д.

Практика показывает, что микропетрографические иссле-

дования удобнее всего проводить с зернами фракции

0,1 —

0,05 мм. Они очень удобны для приготовления из них не

слишком толстых препаратов и достаточно велики, чтобы их

можно было без особого труда определять под микроскопом.

Зерна этой фракции относительно легко разделяются по

плотности в тяжелых жидкостях (более мелкие разделяются

медл

енно и

неполно), что рассмотрено несколько ниже. В

случае отсутствия или недостаточного количества зерен тако-

го размера можно использовать фракцию мелкого песка

(0,25-0,1 мм).

При этом перед минералогическим анализом зерна иссле-

дуемой фракции обычно делят на две части, условно назы-

ваемые легкой и тяжелой фракциями.

Напомним, что все минералы, в том числе обломочные,

подразделяются на две группы — породообразующие и ак-

цессорные. Содержание последних как в материнских поро-

дах, так и в обломочной части осадочных пород обычно неве-

лико — первые проценты, иногда доли процента и даже еди-

ничные зерна, однако они обладают большой химической и

физической устойчивостью, что обеспечивает их сохранность

при выветривании пород и переносе обломочного материала.

Несмотря на незначительное содержание, акцессорные мате-

риалы представляют большой практический и теоретический

интерес для микропетрографической корреляции и особенно

при палеогеографических построениях — определении ис-

точников сноса обломочного материала, петрографического

состава материнских пород питающей провинции, при выяс-

нении условий переноса и т.д.

Для определения и изучения этих минералов их надо

прежде всего выделить, отделить от основной массы породо-

образующих, определенным образом сконцентрировать. Ос-

новным методом такого выделения и концентрации является

разделение зерен в специальных «тяжелых» жидкостях.

195

Дело в том, что плотность основных породообразующих

минералов обычно менее 2,75 кг/м

: кварц

2,65 — 2,67,

микро-

клин 2,54

—

2,57, ортоклаз

2,55 — 2,58,

плагиоклазы 2,61

—

2,76 г/см

. Абсолютное большинство минералов-акцессориев,

напротив, имеют плотность более 3,0 г/см

: андалузит —

3,1—3,2, апатит — 3,18

— 3,21,

гранаты — 3,5—4,2, дистен (киа-

нит) — 3,56

— 3,68,

монацит —

4,9 — 5,5,

роговые обманки —

3,1 —

3,3, рутил — 4,2

—

4,3, силлиманит —

3,23 — 3,25,

ставро-

лит —

3,65 —

3,77, сфен (титанит) — 3,29

—

3,56, турмалин —

2,90-3,25, эпидот - 3,55-3,88 г/см

Это свойство и используется для их выделения из общей

массы обломков. Метод получил название фракционирования

в тяжелых жидкостях.

Кратко метод заключается в следующем: зерна различных

минералов, погруженные в тяжелую жидкость (σ > 2,7 г/см

группируются — более тяжелые по сравнению с жид-

костью — оседают на дно сосуда, а более легкие — концен-

трируются в поверхностном слое. Зерна минералов, плот-

ность которых близка к плотности жидкости, будут находить-

ся в ней во взвешенном состоянии. Разделение в тяжелых

жидкостях проводится в специальных делительных воронках.

Они представляют собой стеклянный сосуд конической фор-

мы с притертой пробкой наверху и хорошо подогнанным

краником внизу.

Минералы с плотностью большей, чем плотность жидко-

сти, составляют так называемую тяжелую фракцию, или

группу тяжелых минералов, а более легкие — легкую фрак-

цию, или группу легких минералов.

Жидкости, применяемые для разделения, должны обладать

способностью в течение длительного времени сохранять по-

стоянную плотность, прозрачность и не оказывать химиче-

ского воздействия на минералы. В настоящее время известно

большое число тяжелых жидкостей, из которых в петрогра-

фических лабораториях наиболее часто применяются жид-

кость Туле и бромоформ.

Жидкость Туле — водный раствор двойной соли — иоди-

стой ртути и иодистого калия (HgJ

-KJ), желтого цвета, с мак-

симальной плотностью 3,17

—

3,19 г/см

. К числу ее досто-

инств относятся нелетучесть и легкая растворимость в воде,

благодаря чему можно получать жидкости необходимой плот-

ности и промывать фракции минералов водой. Однако жид-

кость Туле относится к числу сильно ядовитых и поэтому

работу с ней приходится проводить обязательно в вытяж-

ном шкафу и в резиновых перчатках.

196

Бромоформ — бесцветная жидкость состава CH

с мак-

симальной плотностью 2,85 г/см

, легко растворяется в спир-

те, бензоле и эфире, быстро фильтруется, химически ней-

тральна. Недостатком бромоформа является его легкая испа-

ряемость, сильный и стойкий запах, неустойчивость (легко

разлагается под действием света и солнечных лучей) и не-

смешиваемость с водой. Вследствие этого жидкость должна

храниться в темной склянке, разделение проводится под тя-

гой в закрытых воронках, а полученные фракции тщательно

промывают спиртом, бензолом или эфиром.

Разделенные таким образом фракции промывают, высу-

шивают и исследуют под микроскопом в постоянных или

временных препаратах. Методика изготовления таких препа-

ратов и, частично, их анализа описана в гл. 2.

4.1.7. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Задачей химического анализа пород является оп-

ределение состава основных слагающих ее элементов, чаще

выражаемых в виде оксидов. Полный, или силикатный, ана-

лиз, когда определяется практически весь набор породообра-

зующих элементов, из-за своей сложности и относительно

высокой стоимости используется достаточно редко. Значи-

тельно более широко проводится карбонатный шестикомпо-

нентный анализ с определением нерастворимого остатка

(Н.О.), полуторных оксидов (R

— сумма Fe

, Al

и др.),

CaO, MgO, SO

и CO

Знание химического состава необходимо при использова-

нии осадочных пород как полезных ископаемых. При петро-

графических исследованиях совершенно необходимо пере-

счет результатов химического анализа на минералы прове-

рить независимыми методами. Дело в том, что одинаковый

набор элементов (оксидов) может дать разные минералы.

Особенно это характерно для карбонатных пород. Так, опре-

деленные соотношения CaO и MgO могут быть связаны с

наличием минерала доломита, но при тех же содержаниях

этих компонентов порода может состоять из арагонита (каль-

цита) и магнезита. Именно такая ассоциация установлена в

ряде современных содовых озер. В процессе анализа при

воздействии соляной кислоты магний может извлекаться не

только из карбонатов, но и дополнительно «подтягиваться» из

глинистых минералов. В этом случае при пересчете появляет-

ся доломит или даже магнезит, которых, однако, в реальной

породе нет или их существенно меньше.

197

Другой пример. Такой распространенный оксид, как SiO

входит в состав большого набора минералов. Это собственно

кварц, халцедон, разнообразные силикаты (полевые шпаты,

слюды, глинистые минерала), и его наличие ничего опреде-

ленного по поводу минерального состава без независимых

определений не дает.

Сами методы пересчета рассмотрены в разделе 4.2.1.

4.1.8. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Реальная разрешающая способность обычных

оптических микроскопов, достигаемая при изучении шлифов,

составляет 0,01—0,005 мм. При этом необходимо учитывать,

что это в несколько раз меньше толщины стандартного шли-

фа, т.е. отдельные частицы и кристаллы таких размеров

практически уже не исследуются.

Для изучения тонкодисперсных пород, и прежде всего

глинистых, а также некоторых других используются элек-

тронные микроскопы, увеличение которых достигает миллио-

на раз, а разрешающая способность составляет Ю

-9

—

-10

м.

В электронных микроскопах просвечивающего типа на эк-

ране видны контуры изучаемых частиц, что позволяет опре-

делять их размер и форму, а по ним иногда и минеральный

состав.

Принцип работы растровых (сканирующих) электронных

микроскопов иной — электронный луч пробегает по поверх-

ности свежего скола породы, покрытого путем напыления

тончайшей пленкой металла для отражения электронов, ска-

нирует ее и в виде весьма четкой, практически объемной

картины выдает на экран. Тем самым изучается размер и

морфология, т.е. структура фрагментов, и на этой основе —

их минеральный состав. Структура и взаимоотношения

фрагментов породы позволяют выявлять следы переноса, ау-

тигенность, относительную стадийность образования и т.д.

Большим достоинством этого метода является возможность

широко менять масштаб изображения за счет изменения уве-

личения от нескольких десятков до полутора сотен тысяч раз.

Благодаря этому можно изучать не только очень тонкодис-

персные глинистые минералы, но и морфологию более круп-

ных кристаллов, остатков раковин, характер поверхности

аморфных выделений, структуру порового пространства, ха-

рактер его заполнения и т.п.

198

4.1.9. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Методы рентгеноструктурного анализа основаны

да явлении дифракции рентгеновских лучей от плоскостей

ристаллической решетки. Поскольку кристаллическая ре-

щетка разных минералов различна, по характеру дифракто-

грамм возможно определить ее структуру, а следовательно, и

сам минерал. Наибольшее распространение эти методы полу-

чили при изучении тонкодисперсных глинистых пород и час-

тично карбонатных. Именно эти методы позволили устано-

вить и описать две разновидности кальцита — обычный ста-

бильный низкомагнезиальный и метастабильный высокомаг-

незиальный.

Важным достоинством метода является то, что возможно

определение минералов как в мономинеральной породе, так и

в полиминеральной, в частности, в смеси глин разного мине-

рального состава.

4.1.10. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

При последовательном нагревании минералов с

ними происходят различные изменения: как их физического

состояния (плавление, испарение), так и, что более важно,

химического состава. Последние, по сути дела, ведут к фазо-

вым превращениям — потере воды, вначале кристаллизаци-

онной, затем конституционной, разложению на определен-

ные компоненты и т.д. Все эти превращения сопровождаются

либо выделением тепла (экзотермические реакции), либо его

поглощением (эндотермические реакции), причем эти фазо-

вые переходы и связанные с ними скачки температуры спе-

цифичны для каждого минерала. Такие термические эффек-

ты фиксируют на термограммах в координатах «температу-

ра — время» либо в виде дифференциальной кривой в

координатах «разность температур изучаемого вещества и

эталона — температура среды (или время)». При этом в каче-

стве эталона подбирается вещество, которое нагревается по-

степенно без изменения, т.е. без появления каких-либо тер-

мических эффектов.

Различные модификации термических анализов с успехом

применяются при изучении глинистых и карбонатных пород

(рис. 4.5).

199