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

Подождите немного. Документ загружается.

200 400 600 800 1000 1200

C 200 400 600 800 1000 1200

Рис. 4.5. Дифференциальные кривые нагревания различных минералов (по

В.П. Ивановой и др., 1974; «Методам изучения...», 1957).

а — карбонаты: 1 — кальцит; 2 — магнезит; 3

—

доломит; 4

—

доломит +

NaCl; 5 — доломит с анкеритом; 6 — анкерит; 7 — доломит с магнезитом; S

9 — сидерит; 10 — брейнерит; 11 — родохрозит; 12 — арагонит; 13 — гидро-

магнезит.

б — глины и слюды: 1 — каолинит; 2, 3 — диккит; 4 — галлуазит; 5 — фер-

ригаллуазит; 6 — бейделлит; 7 — мотмориллонит; 8 — нонтронит; 9 — моно-

термит; 10, 11 — иллит; 12 — аллофан; 14—16 — мусковит; 17 — гидромус-

ковит; 18 — вермикулит; 19 — глауконит

4.1.11. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И ИЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗЫ

Указанными выше анализами не исчерпываются

методы изучения осадочных пород, хотя они, видимо, явля-

ются наиболее широко распространенными и используются

при общей характеристике пород.

Существуют многочисленные методы анализов, которые,

строго говоря, не характеризуют породу как таковую, но да-

ют дополнительную информацию о ней, часто имеющую

важное генетическое значение.

Одним из таких методов является спектральный анализ.

При очень высокой температуре вещество испаряется, сла-

гающие его отдельные атомы за счет этой энергии возбуж-

даются и излучают специфические для каждого элемента

спектры. Изучение этих спектров и сравнение их с эталона-

ми позволяет определять набор элементов и их концен-

трации.

Спектральный анализ относительно дешев, обладает высо-

кой производительностью и чувствительностью (для некото-

рых элементов до Ю

-4

— IO

-5

%), что позволяет устанавли-

вать наличие и содержание нескольких десятков элементов,

используя очень небольшое количество вещества. Вместе с

тем, достоверное количественное определение концентраций

имеет определенные ограничения — при содержании эле-

мента в количестве целых процентов, а часто и десятых долей

процента, его количественное определение невозможно. По-

этому метод используют для определения «малых элементов»,

содержание которых находится на уровне Ю

-2

—IO

-5

%, т.е.

именно тех, определение содержания которых химическими

методами невозможно либо чересчур сложно. Наличие же

тех или иных элементов, их соотношения часто дают очень

ценную информацию о геохимических условиях образования

и преобразования пород.

В настоящее время весьма распространено определение

изотопного состава элементов, особенно стабильных изото-

пов углерода, кислорода, серы, а в последние годы — строн-

ция и редкоземельных элементов.

Изотопный состав не характеризует породу с точки зре-

ния ее состава, структуры и текстуры. Вместе с тем, исследо-

вания изотопного состава очень важны. Дело в том, что су-

ществует и установлен целый ряд природных процессов, ко-

торые ведут к фракционированию изотопов одного элемента,

смещению изотопного равновесия по отношению к стандар-

ту. Выявление такого смещения позволяет реконструировать

202

механизмы, определяющие такие смещения и условия их

оеализации. По изотопам кислорода, например, устанавлива-

ется палеотемпературы, по изотопам углерода можно судить

биогенном или абиогенном образовании карбонатов, со

значительной долей вероятности разделять пресноводные и

морские карбонаты и т.д.

4.2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ГРАФИЧЕСКОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ АНАЛИЗОВ

Получение результатов аналитических исследо-

ваний — важнейший, но лишь первый этап их литологиче-

ското

осмысления и использования. Данные анализов нужда-

ются в определенной дополнительной обработке. Это касает-

ся как данных по одному образцу, так и, в особенности, дан-

ных серии анализов. Подобная обработка и графические по-

строения преследуют ряд целей:

— пересчет аналитических данных для точного названия

породы, в том числе определения ее минерального состава;

—

получение дополнительной характеристики породы;

— изучение изменений параметров пород (состава, струк-

туры, текстуры, фауны, специфических минералов и др.), а

также наборов пород по разрезу и по площади;

— определение условий образования отложений с помо-

щью «генетических диаграмм» и др.

4.2.1. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕСЧЕТА

АНАЛИТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Прежде всего аналитические данные надо пере-

вести в «литологическую форму» — пересчитать результаты

химических анализов в минералы с обязательной проверкой

независимыми методами, определенным образом пересчитать

результаты гранулометрического анализа и рассчитать неко-

торые важные параметры, характеризующие структуру обло-

мочной породы и т.д.

Результаты гранулометического анализа, как правило, сра-

зу же рассчитываются при его выполнении и представляются

в табличной форме (см. рис. 4.1).

Иногда результаты гранулометрического анализа могут

быть представлены в частой для производственных организа-

ций форме, где содержание отдельных компонентов рассчи-

тано на всю породу. В таком виде они не удобны для опреде-

203

ления породы. Во-первых, может оказаться, что содержание

ни одной из фракций не достигает 50 %, т.е. по формальным

соображениям эту породу нельзя назвать по преобладающе-

му, но не составляющему 50 % компоненту. Во-вторых, в та-

ком виде невозможно использовать их для нанесения на

классификационный треугольник, где учитывается только об-

ломочная, нерастворимая часть (см. далее).

Более же важно то, что нерастворимая обломочная и рас-

творимая (чаще всего карбонатная) части генетически прин-

ципиально различны, и по сути дела для обломочных пород

правильным является представление анализа в форме, где

содержания размерных фракций рассчитаны на нераствори-

мую часть, а содержание растворимой дано отдельно. Поэто-

му если содержания фракций даны по отношению ко всей

породе, значения необходимо пересчитать, приняв в качестве

100 % сумму всех нерастворимых фракций.

Припер пересчета. Результат анализа (в %): песок — 3,57, алеврит —

12,35, пелит — 70,78, растворимая часть — 13,60.

1. Рассчитываем суммарное содержание песчаной, алевритовой и пелито-

вой фракций, которое принимаем за 100 %: 3,57 + 12,35 + 70,78 = 86,70 =

= 100%.

2. Пересчитываем содержание каждой фракции по отношению к их

сумме:

содержание песка, %: 3,57:86,70 χ 100 = 4,12;

содержание алеврита, %: 12,35:86,70 χ 100 = 14,24;

содержание пелита, %: 70,73:86,70 χ 100 = 81,64

Сумма 100, 00 %.

Данные химических анализов представляются только в

форме содержания породообразующих оксидов и требуют

обязательного пересчета на минералы с обязательной, как

указывалось выше, проверкой независимыми методами —

данными микроскопического изучения шлифов, термическо-

го, ретгеноструктурного и других анализов.

Полный силикатный анализ в массовых литологических

работах выполняется редко; методы его пересчета достаточно

сложны, и в настоящее время создан ряд программ для соот-

ветствующих пересчетов. В качестве информации и исполь-

зования одной из последних разработок в этом плане можно

рекомендовать книгу Я.Э. Юдовича и М.П. Кертис (2000).

Значительно более широко используются сокращенные

химические анализы карбонатных и солевых пород.

Методы пересчета результатов химических анализов из-

ложены в специальных руководствах («Методы изучения...»,

1957; Логвиненко, Сергеева, 1986 и др.). Для определения ми-

нерального состава карбонатных пород может быть исполь-

204

зован относительно простой и в то же время достаточно на-

дежный метод переводных коэффициентов. В обычных кар-

бонатных породах содержания сульфатов, нерастворимого

остатка и тем более полуторных оксидов обычно невелики,

ими можно пренебречь и не пересчитывать. В итоге по со-

держаниям CaO, MgO и CO

необходимо рассчитать содер-

жания минералов, пользуясь переводными коэффициентами,

которые представляют собой отношения молекулярных масс

соли (минерала) и соответствующих оксидов:

CaCO

: CO

= 2,27;

CaCO

: CaO = 1,78;

MgCO

: CO

= 1,91;

MgCO

: MgO = 2,09;

CaMg(CO

)

: CO

= 4,18;

CaMg(CO

)

: CaO = 3,28;

CaMg(CO

)

: MgO = 4,57.

Для получения количества минерала содержание оксида ум-

ножается на соответствующий коэффициент. Если в анализе

отсутствует магний, т.е. из карбонатных минералов присутст-

вует только кальцит, то расчет ведется только по CaO и CO

Содержание CaO умножается на 1,78, и получается содержа-

ние кальцита. Аналогично, содержание CO

умножается на

2,27, и также получается содержание кальцита. Как правило,

значения, полученные двумя различными методами, доста-

точно близки, хотя и несколько различны. В этом случае

без больших погрешностей можно использовать среднее

значение.

Если порода содержит только доломит, то аналогичный

расчет можно ввести по трем показателям — содержаниям

CaO, MgO и CO

. Близость значений, полученных по трем

оксидам, подтвердит чисто доломитовый состав карбонатной

части породы. Если же значения по CaO окажутся выше, чем

по MgO

значит в породе кроме доломита имеется и кальцит;

в обратном случае, т.е. при дефиците CaO

кроме доломита

присутствует магнезит.

В наиболее общем случае — присутствия и кальцита, и

доломита — расчет идет по следующей схеме. Вначале по

MgO определяется содержание MgCO

с учетом переводного

коэффициента 2,09, а по CaO — кальцита и подсчитывается

их сумма. Затем по MgCO

с помощью переводного коэффи-

циента CaMg(CO

)

: MgCO

= 2,19 определяется содержа-

ние доломита. Наконец, вычитая из суммы (CaCO

+ MgCO

) содержание доломита, получим содержание в по-

роде кальцита.

205

Можно пойти и несколько иным путем. По MgO опреде-

лить содержание доломита (переводной коэффициент 4,57),

затем определить, сколько в этом доломите связывается CaO

(разделив содержание CaMg(CO

)

на 3,28 или умножив это

содержание на 0,3), полученное значение вычесть из опреде-

ленного при анализе содержания CaO и по остатку опреде-

лить содержание кальцита (т.е. умножить остаток CaO на 1,78).

В качестве примера рассмотрим расчет минерального состава по данным

химического анализа, который дал следующие значения (в %): Н.О. = 17,11;

= 1,28; CaO = 45,13; MgO = 1,15; CO

= 35,39; сумма = 100,06.

1. Определяем содержание MgCO

: 1,15x2,09 = 2,40.

2. Определяем содержание CaCO

: 45,13x1,78 = 80,33.

3. Определяем сумму CaCO

+ MgCO

: 2,40 +

80,33

= 82,73.

4. Определяем содержание доломита: 2,40x2,19 = 5,26.

5. Определяем содержание кальцита: 82,73 — 5,26 = 77,47.

Расчет вторым путем дает близкий результат

1. Определяем содержание доломита: 1,15x4,57 = 5,26.

2. Определяем количество CaO

связанное в доломите: 5,26x0,3 = 1,58.

3. Определяем количество CaO, связанное в кальците: 45,13 — 1,58 =

= 43,55.

4. Определяем содержание кальцита: 43,55x1,78 = 77,51.

Все эти и подобные расчеты существенно облегчаются при

наличии компьютеров, для которых составляются соответст-

вующие программы.

4.2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗОВ

ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ НАЗВАНИЯ

И БОЛЕЕ ПОЛНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОДЫ

Результаты аналитических определений исполь-

зуются прежде всего для уточнения названия породы и полу-

чения дополнительной характеристики ее состава, структуры

и некоторых других показателей. Дело в том, что при поле-

вом и вообще макроскопическом описании возможны опре-

деленные неточности в названиях пород, связанные с неточ-

ным определением структуры породы, некоторых минералов

и особенно их количественных соотношений. Поэтому преж-

де всего необходимо сопоставить полевое определение поро-

ды с аналитическими данными, на основе чего конкретизиро-

вать, уточнить, а иногда и изменить первоначальное название

породы и дать развернутую ее характеристику.

Как правило, название породы дается по той составной ее

части, содержание которой составляет 50 % и более. Более

подробно вопрос о названиях пород с учетом различных

примесей рассмотрен в гл. 1 (раздел 1.4).

Для трехкомпонентных пород, а такие породы широко

распространены в природе — песчано-алеврито-глинистые,

206

гдинисто-известково-доломитовые и т.д., удобно пользовать-

ся треугольными классификационными диаграммами. Такие

диаграммы для отдельных пород и их характеристика приве-

дены в соответствующих главах 5 и 7, а сама методика рабо-

ты с треугольными диаграммами, нанесение на них аналити-

ческих данных, рассмотрена далее в разделе 4.2.3.

4.2.3. МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

АНАЛИТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Очень важным также является правильное гра-

фическое изображение этих данных. Во-первых, иногда, как

в случае с гранулометрическим анализом, специальные гра-

фики позволяют определять важные дополнительные пара-

метры, характеризующие породу. Во-вторых, рисунки, чер-

тежи неизмеримо более наглядны по сравнению с цифрами.

В-третьих, при наличии серии анализов набор цифр

воспринимается с трудом или практически вообще не

осознается, в то время как графическое их изображение

позволяет сравнивать породы друг с другом, прослеживать

их изменение по разрезу и по площади.

С некоторой долей условности способы обработки и изо-

бражения можно разделить на несколько видов. Во-первых,

это графическое изображение данных одного образца, во-

вторых, серии анализов, что позволяет сравнивать породы

или их совокупности между собой, в-третьих, это графики,

показывающие изменчивость пород, их компонентов и

свойств по разрезу, и, наконец, в-четвертых, рисунки, пока-

зывающие изменчивость этих показателей по площади.

При этом некоторые методы являются универсальными,

т.е. могут использоваться для разных пород и разных ана-

лизов, другие являются узко специализированными и приме-

няются для обработки и изображения лишь одного вида

анализа.

ГИСТОГРАММЫ И СТОЛБЧАТЫЕ ДИАГРАММЫ

Одним из весьма распространенных и достаточ-

но универсальных приемов изображения результатов анали-

зов является построение гистограмм, или столбчатых диа-

грамм. Методику их построения можно показать на примере

данных гранулометрического анализа, где они используются

очень широко в качестве первого этапа графической обра-

ботки результатов.

207

Гистограмма характеризует распределение размерных

фракций в образце и представляет собой ряд смежных пря-

моугольников, основанием которых на оси абсцисс служит

размер фракций, а высотой по оси ординат — содержание

фракций (в %), отраженное в соответствующем масштабе.

Поскольку размеры фракций обычно изменяются в пределах

порядка и более (например,

0,05 — 0,1

1,0 — 2,5),

по оси абс-

цисс, как правило, используется не арифметический, а лога-

рифмический масштаб; тем самым основание мелкоразмер-

ных фракций — глинистой и алевритовой — на графике

расширяется, а крупноразмерных — сужается (рис. 4.6, а).

Если используется набор сит с постоянным отношением раз-

меров фракций, т.е. отношение размеров ячей каждого сита к

размеру предыдущего во всем наборе одинаково, то основа-

ния всех столбиков будут равны. При таком построении

IOOj

80 -

60 -

§ 40 -

& 20 -

* ____] —

§ °<0,01 0,01 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 3,0

•Θ" IOOi

1 80-

& 60 -

U 40

" г—1

20 -

.1 ι—ι I—I——ι 1

0,01 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 3,0

Размер фракций, мм

Рис. 4.6. Гистограммы, построенные на разных основаниях:

α — логарифмический масштаб по оси абсцисс; б — внемаспггабное

обозначение размеров отдельных фракций

0,01 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 3,0

Размер фракций, мм

208

площадь каждого столбика относительно суммарной площади

всей гистограммы будет пропорциональна содержанию дан-

ной фракции в общей совокупности. Можно строить такую

же диаграмму с равным основанием для всех столбиков, не-

зависимо от размера фракций, т.е. в этом случае на оси абс-

цисс наносятся не линейные размеры фракций в определен-

ном масштабе, а граничные значения отдельных фракций

(рис. 4.6, б). При большой простоте построения такие диа-

граммы сохраняют наглядность обычных гистограмм, теряя

лишь геометрический смысл последних — пропорциональ-

ность площади столбика содержанию соответствующей

фракции; они широко используются в литологических рабо-

тах. Гистограмма позволяет наглядно выделить преобладаю-

щую фракцию, качественно оценить степень отсортирован-

ное™ породы, определить модальный, т.е. наиболее распро-

страненный размер зерен. Модальным интервалом будут яв-

ляться границы той фракции, которая в данной породе пре-

обладает (на рис. 4.6 модальный интервал соответствует

фракции 0,1—0,25 мм).

Более точно моду можно определить графически, если пе-

рейти от гистограммы к кривой распределения. При последо-

вательном сокращении диапазона границ выделяемых при

анализе фракций, т.е. увеличении их числа, поверхность диа-

граммы из резко ступенчатой становится все более сглажен-

ной и в пределе переходит в плавную кривую. Кривую рас-

пределения из обычной гистограммы можно получить, обводя

плавной кривой каждый ее столбик (рис. 4.7). Форма и ха-

рактер этой кривой подробно изучаются математической ста-

тистикой. В некоторых случаях такое исследование представ-

ляет значительный геологический интерес для расшифровки

генетических особенностей пород, однако в обычных Иссле-

дованиях Ограничиваются только построением гистограмм.

Гистограммы также очень удобны при сравнении грануло-

метрического состава нескольких образцов, для обобщения

серии отдельных анализов в определении группы близких по

своей гранулометрии пород (рис. 4.8). Аналогичным образом

серия гистограмм позволяет наглядно изобразить изменение

гранулометрии обломочных пород по разрезу (рис. 4.9).

Следует отметить еще одно важное обстоятельство, позво-

ляющее подходить к генетической интерпретации устанавли-

ваемого по гистограмме распределения размеров зерен. Если

гистограмма имеет одну вершину (распределение одномо-

дально), то мы имеем дело с одной совокупностью зерен, и

можно оценивать лишь степень их однородности или неодно-

209