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.
| Діаметр частинок, мм | Групи порід | Назви уламків | Назви пухких порід | Назви зцементованих порід | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| складені обкатаними уламками | складені гострокутними уламками | обкатані | необкатані | |||
| > 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.
| Вміст частинок величиною 0,01 мм, % | За Н.М. Сібірцевим, 1987 | За 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:
- 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;
- 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;
- 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;
- глинистий (важкий) суглинок добре скочується у тонкий шнурок; коли згинають, утворює незначні тріщини; розминається у руках, утворюючи важку компактну масу;
- 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].
| Номер за пор. | Розмір фракції, мм | Маса фракції, г | Вміст фракції, % | Коротка характеристика фракції. Примітки |
|---|---|---|---|---|
Рис. 4.1.2. Приклад кумулятивних кривих гранулометричного складу наносів
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
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).
а
б
в
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].