Байрак Г.
Методи геоморфологічних досліджень

Гранулометричний аналіз структури порід

Визначення величини кристалів чи уламків називають гранулометричним аналізом (від лат. granulum – зернятко і грец. μετρέω – вимірюю). Гранулометричний аналіз – це поділ певного об’єму породи на групи уламків різного розміру – фракції, і виявлення їхніх кількісних співвідношень [47].

Величину зерен зцементованих порід визначають на свіжому сколі уламка. Або виконують у шліфах під мікроскопом. Стандартний шліф має товщину близько 0,03 мм, розміром 20×20 мм. Його розглядають під мікроскопом проти світла, оскільки за такої товщини пластинки більшість мінералів прозорі (непрозорі – рудні мінерали). Заміряють діаметри 300-500 зерен і підраховують їх з наступним розподіленням за фракціями.

Серед незцементованих (уламкових) порід виділяють (табл. 4.2):

  • грубоуламкові (іноді вживають термін “псефітові”, від грец. psefos – камінчик, галька), з величиною зерна більше 2,0 або 2,5 мм;
  • средньоуламкові (по-іншому “псамітові”, від psammos – пісок, з величиною зерна від 2,0 до 0,05 мм;
  • дрібноуламкові або алевритові ( від грец. αλευρον – борошно), розміром 0,05-0,001 мм. Сюди належать також мули і леси;
  • тонкоуламкові або пелітові (pelos – глина) – зерна розміром менше 0,001 мм.
Таблиця 4.2. Гранулометрична класифікація уламкових і глинистих порід [32]
Діаметр частинок, ммГрупи порідНазви уламківНазви пухких порідНазви зцементованих порід
складені обкатаними уламкамискладені гострокутними уламкамиобкатанінеобкатані
> 1 000 Грубоуламкові Брили Брилові валунники Накопичення брил Конгломерати Брекчії
1000–500
500–250
250–100
Валуни: великі середні дрібні Валунники: великі середні дрібні Накопичення брил: великих середніх дрібних
100–50
50–25
25–10
Галька: велика середня дрібна Галечник: великий середній дрібний Щебінь: великий середній дрібний
10–5
5–2
2–1
Гравійні зерна: великі середні дрібні Гравій: великозернистий середньозернистий дрібнозернистий (пісок великозернистий) Жорства: великозерниста середньозерниста дрібнозерниста (пісок великозернистий)
1–0,5
0,5–0,25
0,25–0,1
Піщані Піщані зерна: великі середні дрібні Піски: великозернисті середньозернисті дрібнозернисті Пісковики
0,1–0,05
0,05–0,005
0,005–0,001
Алевритові Алевритові частинки великі середні дрібні Алеврити:
великозернисті (тонкозернисті піски) середньозернисті дрібнозернисті
Алевроліти
<0,001 Глинисті Глинисті частинки Глини Аргіліти

Хоча на практиці до алевриту зазвичай зараховують уламки діаметром від 0,1 до 0,01 мм; до глинистих часток – менше 0,01 мм.

Границя між 0,05 мм – межа розрізнення оком зернистості. З цією межею збігається стрибок властивостей і в породах: в тонших осадах з’являється зв’язність, різко підскакує висота капілярного підняття тощо. Природне обґрунтування має і границя 2,0 мм: більш великі уламкові породи практично тільки літокластичні, тобто складаються з уламків порід, а дрібніші частіше бувають кристалокластичними, тобто складаються з уламків мінералів.

Виконуючи гранулометричний аналіз, треба враховувати, що осади можуть бути складені або однорідними за діаметром частинками, або сумішшю уламків різного розміру. У першому випадку застосовують десяткову шкалу (див. табл. 4.2); у другому – двомірну шкалу Н.М. Сібірцева (табл. 4.3), засновану на процентному вмісті алевритових і глинистих часток. Практичною основою такого поділу слугують польові та лабораторні гранулометричні аналізи.

Таблиця 4.3. Зіставлення класифікацій пухких порід змішаного складу [20]
Вміст частинок величиною 0,01 мм, %За Н.М. Сібірцевим, 1987За Л.Б. Рухіним, 1953
До 5 Пісок Пісок
5–10 Пісок глинистий Пісок глинистий
10–20 Супісок великий Алеврити великозернисті (тонкозернисті піски)
20–30 Супісок дрібний Алеврити великозернисті
30–40 Суглинок грубий Алеврити дрібнозернисті
40–50 Суглинок тонкий Алеврити тонкозернисті
50–60 Глина груба Глина піщаниста
60–75 Глина тонка Глина алевритова
75 і більше Глина типова Глина типова

Серед польових методів визначення гранулометричного складу грубоуламкових та піщаних відкладів найширше використовують візуальний і ситовий аналізи.

Ситовий метод застосовують для піщаного та дрібного гравійно-галечникового матеріалу. З відслонення беруть зразки породи: діаметром 0,1-0,5 мм – масою 200 г; 0,5-1 мм – 500 г; 0,2-2 см – 2-3 кг; до 7 см – до 15 кг; більше 10 см – 50 кг. Пересівають крізь сита з розмірами комірок, які дорівнюють градаціям частинок за розмірами (наприклад, 2,5 см, 1 см...1 мм). Визначають масу кожної фракції.

Візуальний метод здебільшого використовують для визначення переважаючого складу гравійно-галечникового та валунного матеріалу. З ділянки визначеної площі (наприклад, 1×1 м) відбирають 100-300 зерен породи. Лінійкою чи рулеткою вимірюють їхній розмір. Зважуванням визначають кількість уламків, класифікуючи за фракціями. Значення переводять у відсотки до загальної кількості. Розміри гравійно-піщаних зерен також можна визначити порівнянням їх з еталонною колекцією.

Тест на скочування. Проводять у полі для піщано-глинистого матеріалу:

  1. піщаний суглинок, скочуючись у вологому стані у “ковбаску”, дає тріщини і легко розпадається на шматки. Під час розтирання на долоні шматка породи прощупуються окремі піщані зерна. Містить багато піску і заразом достатню кількість алевриту та глини, які надають йому зв’язність;
  2. суглинок легко скочується у шнурок після намокання, коли намагаються згинати, дає тріщини. Це суміш зерен різної розмірності – піску, глини, алевриту, шорсткуватий на дотик, досить однорідний і пластичний;
  3. пилуватий суглинок (лес), як і пилуваті породи в цілому, визначають прощупуванням і розтиранням на долоні. У зволоженому стані не скочується у шнур; утворює грудочки, які не руйнуються, коли беруть у руки. Має середній вміст піщаної фракції, більше 50% алевриту і невелику домішку глинистих частинок;
  4. глинистий (важкий) суглинок добре скочується у тонкий шнурок; коли згинають, утворює незначні тріщини; розминається у руках, утворюючи важку компактну масу;
  5. глина під час скочування між пальцями утворює довгий тонкий шнур, який не дає тріщин під час згинання; дуже пластична і прилипає до рук. Для аналізу беруть 15-25 г породи [28].

Структура глинистих порід – це окремості, на які поділяється порода під час її механічного руйнування. Шмат породи, взятий зі шару, кидають на плоску поверхню (лопату), аналізують вигляд отриманих окремостей. Назви структури можуть бути такі (за С.О. Захаровим): грудкувата, горіхувата, стовпчаста, призматична, плитчаста та ін.

Гранулометричний аналіз дрібнопіщаного, алевритового та глинистого матеріалу для достовірнішої ідентифікації проводять у лабораторних умовах.

Метод осадження. Полягає у визначенні швидкості осадження зерен у воді під дією сили тяжіння, сил інерції (у тім числі відцентрових) або електро-статичних сил. Осадження, яке відбувається під дією сил тяжіння, називається відстоюванням. Порцію матеріалу заливають деякою кількістю води (200 мл), розбовтують і спостерігають. Більші уламки падають на дно швидше, менші зависають. Відокремлюють, поступово зливаючи воду, фракції і визначають їхню масу.

Метод фільтрування. Це процес розділення за допомогою пористої перегородки, здатної пропускати рідину, але затримувати завислі в середовищі тверді частинки. Відбувається під дією сил тиску або відцентрових сил. Виконують у спеціальних пристроях – фільтпресах, нутч-фільтрах, барабанних, стрічкових вакуум-фільтрах та ін. Застосовують для тоншого розділення суспензій і пилу, ніж шляхом осадження.

Спосіб центрифугувування. Виконують у машинах-центрифугах. Головна частина центрифуги – барабан зі суцільними чи дірчастими стінками, який обертається з великою швидкістю. Внутрішня поверхня барабана покрита фільтрувальною тканиною. Матеріал відцентрова сила відкидає до стінок барабана. Більші частинки (наприклад, 0,005 мм) залишаються на поверхні тканини, а менші (0,001 і дрібніші) разом із рідиною через отвори видаляються назовні. Далі частинки висушують і визначають масу кожної фракції [22].

Дані гранулометричного аналізу подають у наочній формі: у вигляді таблиць (табл. 4.4), графіків – кумулятивної кривої (рис. 4.1.2), рівнобічного трикутника (рис. 4.1.3). Наприклад, під час досліджень пухкої породи підраховано 20% гравію, 30% піску і 50% мулу. На трикутнику номенклатури визначаємо назву пухкої породи – мулисто-піщанистий гравій. Існують також інші визначники порід у вигляді трикутника, наприклад, для піску, алевроліту та глини [2].

Таблиця 4.4. Гранулометричний аналіз грубо-середньоуламкових відкладів розрізу першої надзаплавної тераси ріки … (поблизу с. …) [2]
Номер за пор.Розмір фракції, ммМаса фракції, гВміст фракції, %Коротка характеристика фракції. Примітки
 
Приклад кумулятивних кривих гранулометричного складу наносів
Рис. 4.1.2. Приклад кумулятивних кривих гранулометричного складу наносів
Номенклатура для сумішей гравію, піску і мулу
Рис. 4.1.3. Номенклатура для сумішей гравію, піску і мулу [7]

Табличне подання результатів гранулометричного аналізу доповнюють побудовою кумулятивної кривої (див. п. 4.8). За її допомогою визначають гранулометричні коефіцієнти:

  • Q1 означає, який гранулометричний розмір має найдрібніша ¼ частина проби, тобто якому розміру на шкалі кумулятивної кривої відповідає перетинання кривої на 25%;
  • Md – це середній розмір часток у пробі, тобто якому розміру на шкалі кумулятивної кривої відповідає перетинання кривої на 50%;
  • Q3 означає, який гранулометричний розмір має найдрібніша ¾ частини проби, тобто якому розміру на шкалі кумулятивної кривої відповідає перетинання кривої на 75% [41].

Гранулометричний аналіз порід і відкладів дає змогу скласти уявлення про їхній генезис та умови утворення. Розмір матеріалу пов’язаний з характером і силою дії тих чинників, які переносять уламки до місць відкладання. Гранулометрія допомагає з’ясувати характер тектонічних умов: наявність більш грубоуламкових порід свідчить про тектонічні підняття території, оскільки під час великої швидкості піднять відбувається інтенсивне руйнування й осадження порід; зміна грубоуламкових на середньоі дрібноуламкові породи свідчить про згасання тектонічної активності; тонкозернисті відклади означають, що переважає опускання території. Великозернисті піски часто формуються на узбережжях, середньозернисті – у руслових потоках, а дрібнозернисті піски, алевритові та глинисті породи – у спокійних динамічних умовах, наприклад, у стоячих водоймах.

Однією з характеристик структури відкладів є їхнє сортування. Це групування за розмірами домінуючої частини матеріалу після транспортування.

Коефіцієнт сортування відкладів S0 обчислюють за формулою

S0 = √(Q3 / Q1) ,

де Q3 – розмір частинок, який відповідає на кумулятивній кривій перетинанню лінії на 75%;
Q1 – розмір частинок, який відповідає на кумулятивній кривій перетинанню лінії на 25%.

За результатами обчислення коефіцієнту сортування визначають ступінь сортування відкладів. Відклади вважаються:

  • добре відсортованими, якщо S0 ≤ 1,54;
  • середньо відсортованими, якщо 1,54 < S0 < 2,12;
  • погано відсортованими, якщо S0 ≥ 2,12 [41].

Добре сортовані відклади мають понад 70% однієї фракції, середньо-сортовані – 50–70%, у слабко сортованих жодна фракція не переважає (рис. 4.1.4).

Добре сортовані відклади
а
 Середньо сортовані відклади
б
 Погано сортовані відклади
в
 Дуже погано сортовані відклади
г
Рис. 4.1.4. Визначення в польових умовах ступеня сортування осадів: 
а) добре сортовані; б) середньо сортовані; в) погано сортовані; г)дуже погано сортовані [7]

За характером розподілу фракцій породи можуть бути:

  • однофракційні – містять понад 90% однієї фракції. Є спокійні геодинамічні умови формування. Це добре сортовані відклади;
  • двофракційні – із вмістом кожної з двох фракцій понад 10% і в сумі 90%. Говорять про поступову зміну умов осадонагромадження. Такий склад відкладів вважають середньо сортованим;
  • різнофракційні – багато фракцій, кожна з яких має більше 10%. Свідчать про різку зміну динамічних умов осадонагромадження. Відклади слабко сортовані, оскільки жодна з фракцій не переважає;
  • змішанофракційні – багато фракцій нерівномірного вмісту, у тім числі менше 10%. Є часті зміни умов осадження відкладів. Відклади слабко сортовані;
  • краєфракційні – наявні дуже дрібні та дуже великі фракції, проміжних менше 10%. Свідчать про умови, що різко відрізняються від попередніх або динамічну диференціацію одного головного середовища відкладання (наприклад, чергування двох порядків швидкостей) [1].
Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом