lito_kuznecov

4.1.11. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И ИЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗЫ

Указанными выше анализами не исчерпываются методы изучения осадочных пород, хотя они, видимо, являются наиболее широко распространенными и используются при общей характеристике пород.

Существуют многочисленные методы анализов, которые, строго говоря, не характеризуют породу как таковую, но дают дополнительную информацию о ней, часто имеющую важное генетическое значение.

Одним из таких методов является спектральный анализ. При очень высокой температуре вещество испаряется, слагающие его отдельные атомы за счет этой энергии возбуждаются и излучают специфические для каждого элемента спектры. Изучение этих спектров и сравнение их с эталонами позволяет определять набор элементов и их концентрации.

Спектральный анализ относительно дешев, обладает высокой производительностью и чувствительностью (для некоторых элементов до Ю-4— IO-5 %), что позволяет устанавливать наличие и содержание нескольких десятков элементов, используя очень небольшое количество вещества. Вместе с тем, достоверное количественное определение концентраций имеет определенные ограничения — при содержании элемента в количестве целых процентов, а часто и десятых долей процента, его количественное определение невозможно. Поэтому 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

ипреобразования пород.

Внастоящее время весьма распространено определение изотопного состава элементов, особенно стабильных изотопов углерода, кислорода, серы, а в последние годы — стронция и редкоземельных элементов.

Изотопный состав не характеризует породу с точки зрения ее состава, структуры и текстуры. Вместе с тем, исследования изотопного состава очень важны. Дело в том, что существует и установлен целый ряд природных процессов, которые ведут к фракционированию изотопов одного элемента, смещению изотопного равновесия по отношению к стандарту. Выявление такого смещения позволяет реконструировать

202

механизмы, определяющие такие смещения и условия их оеализации. По изотопам кислорода, например, устанавливается палеотемпературы, по изотопам углерода м о ж н о судить 0 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 нуждаются в определенной дополнительной обработке. Это касается как данных по одному образцу, так и, в особенности, данных серии анализов. Подобная обработка и графические построения 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, структуры, текстуры, фауны, специфических минералов и др.), а также наборов пород по разрезу и по площади;

—определение условий образования отложений с помощью «генетических диаграмм» и др.

4.2.1. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕСЧЕТА АНАЛИТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Прежде всего аналитические данные надо перевести в «литологическую форму» — пересчитать результаты химических анализов в минералы с обязательной проверкой независимыми методами, определенным образом пересчитать результаты гранулометрического анализа и рассчитать некоторые важные параметры, характеризующие структуру обломочной породы и т.д.

Результаты гранулометического анализа, как правило, сразу 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 организаций форме, где содержание отдельных компонентов рассчитано 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 преобладающему, но не составляющему 50 % компоненту. Во-вторых, в таком виде невозможно использовать их для нанесения на классификационный треугольник, где учитывается только обломочная, нерастворимая часть (см. далее).

Более же важно то, что нерастворимая обломочная и растворимая (чаще всего карбонатная) части генетически принципиально различны, и по сути дела для обломочных пород правильным является представление анализа в форме, где содержания размерных фракций рассчитаны на нерастворимую часть, а содержание растворимой дано отдельно. Поэтому 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 пелитовой 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;

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, термического, 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 соответствующих пересчетов. В качестве информации и использования 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 минерального состава карбонатных пород может быть исполь-

204

бонатных породах содержания сульфатов, нерастворимого остатка и тем более полуторных оксидов обычно невелики,

жания минералов, пользуясь переводными коэффициентами, которые представляют собой отношения молекулярных масс соли (минерала) и соответствующих оксидов:

CaCO3 : CO2 = 2,27;

CaCO3 : CaO = 1,78;

MgCO3 : CO2 = 1,91;

MgCO3: MgO = 2,09; CaMg(CO3)2 : CO2 = 4,18; CaMg(CO3)2 : CaO = 3,28; CaMg(CO3)2 : MgO = 4,57.

Для получения количества минерала содержание оксида умножается на соответствующий коэффициент. Если в анализе отсутствует магний, т.е. из карбонатных минералов присутствует только кальцит, то расчет ведется только по CaO и CO2. Содержание CaO умножается на 1,78, и получается содержание кальцита. Аналогично, содержание CO2 умножается на 2,27, и также получается содержание кальцита. Как правило, значения, полученные двумя различными методами, достаточно 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 CO2. Близость значений, полученных по трем оксидам, подтвердит чисто доломитовый состав карбонатной части породы. Если же значения по CaO окажутся выше, чем по MgO1 значит в породе кроме доломита имеется и кальцит; в обратном случае, т.е. при дефиците CaO1 кроме доломита присутствует магнезит.

В наиболее общем случае — присутствия и кальцита, и доломита — расчет идет по следующей схеме. Вначале по

+ MgCO3) содержание доломита, получим содержание в породе кальцита.

205

Можно пойти и несколько иным путем. По MgO определить содержание доломита (переводной коэффициент 4,57), затем определить, сколько в этом доломите связывается CaO (разделив содержание CaMg(CO3)2 на 3,28 или умножив это содержание на 0,3), полученное значение вычесть из определенного при анализе содержания CaO и по остатку определить 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;

=43,55.

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

Все эти и подобные расчеты существенно облегчаются при наличии компьютеров, для которых составляются соответствующие программы.

4.2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗОВ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ НАЗВАНИЯ И БОЛЕЕ ПОЛНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОДЫ

Результаты аналитических определений используются прежде всего для уточнения названия породы и получения дополнительной характеристики ее состава, структуры

инекоторых других показателей. Дело в том, что при полевом и вообще макроскопическом описании возможны определенные неточности в названиях пород, связанные с неточным определением структуры породы, некоторых минералов

иособенно их количественных соотношений. Поэтому прежде всего необходимо сопоставить полевое определение породы с аналитическими данными, на основе чего конкретизировать, 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 пользоваться треугольными классификационными диаграммами. Такие диаграммы для отдельных пород и их характеристика приведены в соответствующих главах 5 и 7, а сама методика работы с треугольными диаграммами, нанесение на них аналитических данных, рассмотрена далее в разделе 4.2.3.

4.2.3. МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Очень важным также является правильное графическое изображение этих данных. Во-первых, иногда, как в случае с гранулометрическим анализом, специальные графики позволяют определять важные дополнительные параметры, характеризующие породу. Во-вторых, рисунки, чертежи 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 изображения можно разделить на несколько видов. Во-первых, это графическое изображение данных одного образца, вовторых, 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, показывающие изменчивость этих показателей по площади.

При этом некоторые методы являются универсальными, т.е. могут использоваться для разных пород и разных анализов, другие являются узко специализированными и применяются для обработки и изображения лишь одного вида анализа.

ГИСТОГРАММЫ И СТОЛБЧАТЫЕ ДИАГРАММЫ

Одним из весьма распространенных и достаточно универсальных приемов изображения результатов анализов является построение гистограмм, или столбчатых диаграмм. Методику их построения можно показать на примере данных гранулометрического анализа, где они используются очень широко в качестве первого этапа графической обработки результатов.

207

Гистограмма характеризует распределение размерных фракций в образце и представляет собой ряд смежных прямоугольников, 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 и 1,0 — 2,5), по оси абсцисс, как правило, используется не арифметический, а логарифмический масштаб; тем самым основание мелкоразмерных фракций — глинистой и алевритовой — на графике расширяется, а крупноразмерных — сужается (рис. 4.6, а). Если используется набор сит с постоянным отношением размеров фракций, т.е. отношение размеров ячей каждого сита к размеру предыдущего во всем наборе одинаково, то основания всех столбиков будут равны. При таком построении

а

IOOj

&20 -

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, независимо от размера фракций, т.е. в этом случае на оси абсцисс наносятся не линейные размеры фракций в определенном масштабе, а граничные значения отдельных фракций (рис. 4.6, б). При большой простоте построения такие диаграммы сохраняют наглядность обычных гистограмм, теряя лишь геометрический смысл последних — пропорциональность площади столбика содержанию соответствующей фракции; они широко используются в литологических работах. Гистограмма позволяет наглядно выделить преобладающую фракцию, качественно оценить степень отсортирован- н о е™ породы, определить модальный, т.е. наиболее распространенный размер зерен. Модальным интервалом будут являться границы той фракции, которая в данной породе преобладает (на рис. 4.6 модальный интервал соответствует фракции 0,1—0,25 мм).

Более точно моду можно определить графически, если перейти от гистограммы к кривой распределения. При последовательном сокращении диапазона границ выделяемых при анализе фракций, т.е. увеличении их числа, поверхность диаграммы из резко ступенчатой становится все более сглаженной и в пределе переходит в плавную кривую. Кривую распределения из обычной гистограммы можно получить, обводя плавной кривой каждый ее столбик (рис. 4.7). Форма и характер этой кривой подробно изучаются математической статистикой. В некоторых случаях такое исследование представляет значительный геологический интерес для расшифровки генетических особенностей пород, однако в обычных Исследованиях Ограничиваются только построением гистограмм. Гистограммы также очень удобны при сравнении гранулометрического 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, позволяющее подходить к генетической интерпретации устанавливаемого по гистограмме распределения размеров зерен. Если гистограмма имеет одну вершину (распределение одномодально), то мы имеем дело с одной совокупностью зерен, и можно оценивать лишь степень их однородности или неодно-

209