lito_kuznecov

а

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. Справа 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 автоматически 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 граничных значений фракций.

Для наиболее распространенного стандарта с шагом геометрической прогрессии 1^lO расчет истинного содержания

191

При этом Fx — непосредственно определенное по шлифам, т.е. видимое, содержание самой крупной фракции; Fn — то же самой малой фракции.

Использование этих поправочных коэффициентов для определения истинного содержания фракций в шлифе предполагает измерение случайных срезов зерен, поэтому, как отмечено выше, нужно замерять именно случайные сечения по линии линейки, а не стремиться замерить минимальный диаметр.

Результаты замеров и все расчеты удобно вести в табличной форме. Поскольку в таблицу заносятся не размеры каждого конкретного зерна, а число случаев — зерен, попадающих в данную фракцию, то колонки 3 — 5 (см. табл. 4.4) содержат граничные значения размеров фракций (в мм) и число делений окулярной линейки, соответствующих этим размерам. В колонке б поштучно отмечается фактическое количество 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 %) числа зерен данной фракции по отношению к общему числу зерен. 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 — сюда попадает часть зерен из более крупных фракций и одновременно часть зерен этой фракции уходит в более мелкие фракции.

Пересчет по указанным формулам исправляет эту погрешность, 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 содержание зерен в соответствующей фракции.

Все эти расчеты можно вести по указанным формулам, однако в настоящее время несложно разработать компьютерную программу (сами студенты достаточно быстро ее составляют), которая после введения фактических данных замеров автоматически проводит все расчеты и выдает окончательный результат в табличной форме. Одновременно рассчитываются два обобщающих показателя — математическое ожидание (как средний размер) и среднеквадратичное откло-

192

нение (как показатель однородности или сортировки обломочных зерен).

Средний размер и коэффициент отсортированности опре- деляются также графически, что будет рассмотрено во втором разделе главы.

Для графического изображения результатов анализа и расчета некоторых параметров необходимо подсчитать нарас- т а ю щ и й — кумулятивный процент (крайняя правая колонка). Метод его подсчета также рассмотрен далее — во втором разделе.

СРАВНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО И ШЛИФОВОГО МЕТОДОВ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Два описанных выше метода отличаются друг от друга не только техникой проведения, но и по сути. При лабораторных исследованиях рассчитывается содержание фракций по массе, изучение в шлифах дает число зерен разных фракций, что далеко не одно и то же. Так, если в песчанике имеется несколько гравийных зерен, то содержание гравийной фракции, выраженное величиной ее массы, будет весьма значительно, а выраженное в числе зерен (единичны) — ничтожно.

Таким образом, делать какие-либо сравнения и тем более генетические выводы, используя одновременно данные разных методов, в принципе невозможно. Более или менее близкие результаты могут получиться лишь для относительно однородных, хорошо отсортированных и не очень крупнозернистых песчаных пород — при близкой минералогической плотности зерен (в пределах 2,55 — 2,65 г/см3 для основных породообразующих минералов) число зерен во фракциях относительно пропорционально их массе, однако в общем случае проводить анализ данных, полученных разными методами, нежелательно.

В связи с этим возникает вопрос, какой из методов гранулометрического анализа предпочтительный. Дать однозначный 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 отсортированных пород;

193

4.1.6. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБЛОМОЧНЫХ ЗЕРЕН

Минеральный состав зерен, слагающих обломочные 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

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 медле н н о и неполно), что рассмотрено несколько ниже. В случае отсутствия или недостаточного количества зерен такого размера можно использовать фракцию мелкого песка (0,25-0,1 мм).

При этом перед минералогическим анализом зерна исследуемой фракции обычно делят на две части, условно называемые легкой и тяжелой фракциями.

Напомним, что все минералы, в том числе обломочные, подразделяются на две группы — породообразующие и акцессорные. Содержание последних как в материнских породах, так и в обломочной части осадочных пород обычно невелико — первые проценты, иногда доли процента и даже единичные 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 материалы представляют большой практический и теоретический интерес для микропетрографической корреляции и особенно при палеогеографических построениях — определении источников сноса обломочного материала, петрографического состава материнских пород питающей провинции, при выяснении условий переноса и т.д.

Для определения и изучения этих минералов их надо прежде всего выделить, отделить от основной массы породообразующих, определенным образом сконцентрировать. Основным методом такого выделения и концентрации является разделение зерен в специальных «тяжелых» жидкостях.

195

2,76 г/см3. Абсолютное большинство минералов-акцессориев, напротив, имеют плотность более 3,0 г/см3: андалузит — 3,1—3,2, апатит — 3,18 — 3,21, гранаты — 3,5—4,2, дистен (кианит) — 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, ставролит — 3,65 — 3,77, сфен (титанит) — 3,29 — 3,56, турмалин — 2,90-3,25, эпидот - 3,55-3,88 г/см3.

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/см3), группируются — более тяжелые по сравнению с жидкостью — оседают на дно сосуда, а более легкие — концентрируются в поверхностном слое. Зерна минералов, плотность которых близка к плотности жидкости, будут находиться в ней во взвешенном состоянии. Разделение в тяжелых жидкостях проводится в специальных делительных воронках. Они представляют собой стеклянный сосуд конической формы с притертой пробкой наверху и хорошо подогнанным краником внизу.

Минералы с плотностью большей, чем плотность жидкости, составляют так называемую тяжелую фракцию, или группу тяжелых минералов, а более легкие — легкую фракцию, или группу легких минералов.

Жидкости, применяемые для разделения, должны обладать способностью в течение длительного времени сохранять постоянную плотность, прозрачность и не оказывать химического воздействия на минералы. В настоящее время известно большое число тяжелых жидкостей, из которых в петрографических лабораториях наиболее часто применяются жидкость Туле и бромоформ.

Жидкость Туле — водный раствор двойной соли — иодистой ртути и иодистого калия (HgJ2-KJ), желтого цвета, с максимальной плотностью 3,17 — 3,19 г/см3. К числу ее достоинств относятся нелетучесть и легкая растворимость в воде, благодаря чему можно получать жидкости необходимой плотности и промывать фракции минералов водой. Однако жид-

кость Туле относится к числу сильно ядовитых и поэтому работу с ней приходится проводить обязательно в вытяжном шкафу и в резиновых перчатках.

196

Б р о м о ф о рм — бесцветная жидкость состава CH2Br3 с мак- симальной плотностью 2,85 г/см3, легко растворяется в спирте, 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 тягой 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 препаратов и, частично, их анализа описана в гл. 2.

4.1.7. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Задачей химического анализа пород является определение состава основных слагающих ее элементов, чаще выражаемых в виде оксидов. Полный, или силикатный, анализ, когда определяется практически весь набор породообразующих элементов, из-за своей сложности и относительно высокой стоимости используется достаточно редко. Значительно более широко проводится карбонатный шестикомпонентный анализ с определением нерастворимого остатка (Н.О.), полуторных оксидов (R2O3 — сумма Fe2O3, Al2O3 и др.), CaO, MgO, SO4 и CO2.

Знание химического состава необходимо при использовании осадочных пород как полезных ископаемых. При петрографических исследованиях совершенно необходимо пересчет результатов химического анализа на минералы проверить независимыми методами. Дело в том, что одинаковый набор элементов (оксидов) может дать разные минералы. Особенно это характерно для карбонатных пород. Так, определенные соотношения CaO и MgO могут быть связаны с наличием минерала доломита, но при тех же содержаниях этих компонентов порода может состоять из арагонита (кальцита) 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 появляется доломит или даже магнезит, которых, однако, в реальной породе нет или их существенно меньше.

197

Другой пример. Такой распространенный оксид, как SiO2, входит в состав большого набора минералов. Это собственно кварц, халцедон, разнообразные силикаты (полевые шпаты, слюды, глинистые минерала), и его наличие ничего определенного 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 шлифа, 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 электронные микроскопы, увеличение которых достигает миллиона раз, а разрешающая способность составляет Ю- 9 — IO-10 м.

В электронных микроскопах просвечивающего типа на экране видны контуры изучаемых частиц, что позволяет определять их размер и форму, а по ним иногда и минеральный состав.

Принцип работы растровых (сканирующих) электронных микроскопов иной — электронный луч пробегает по поверхности свежего скола породы, покрытого путем напыления тончайшей пленкой металла для отражения электронов, сканирует 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, аутигенность, относительную стадийность образования и т.д. Большим достоинством этого метода является возможность широко менять масштаб изображения за счет изменения увеличения от нескольких десятков до полутора сотен тысяч раз. Благодаря этому можно изучать не только очень тонкодисперсные глинистые минералы, но и морфологию более крупных кристаллов, остатков раковин, характер поверхности аморфных выделений, структуру порового пространства, характер его заполнения и т.п.

198

4.1.9. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Методы рентгеноструктурного анализа основаны да явлении дифракции рентгеновских лучей от плоскостей кристаллической решетки. Поскольку кристаллическая ре- щетка разных минералов различна, по характеру дифрактограмм 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 установить и описать две разновидности кальцита — обычный ста- бильный низкомагнезиальный и метастабильный высокомагнезиальный.

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 фазовым превращениям — потере воды, вначале кристаллизационной, затем конституционной, разложению на определенные компоненты и т.д. Все эти превращения сопровождаются либо выделением тепла (экзотермические реакции), либо его поглощением (эндотермические реакции), причем эти фазовые переходы и связанные с ними скачки температуры специфичны для каждого минерала. Такие термические эффекты фиксируют на термограммах в координатах «температура — время» либо в виде дифференциальной кривой в координатах «разность температур изучаемого вещества и эталона — температура среды (или время)». При этом в качестве эталона подбирается вещество, которое нагревается постепенно без изменения, т.е. без появления каких-либо термических эффектов.

Различные модификации термических анализов с успехом применяются при изучении глинистых и карбонатных пород (рис. 4.5).

199