Размерность, сортировка и гранулярный состав обломочных отложений

Термин размерность (фракция) используется для обозначения гранулометрического класса обломочных отложений, сложенных частицами однородного размера. Таким образом, мы можем говорить об алевритовой фракции, крупнопесчаной фракции или крупногалечниковой фракции.
В табл. 2.1 приведена шкала размерностей, обычно используемая седиментологами. Некоторые осадки состоят из обломков, целиком попадающих в определенную фракцию, как, например, песчаник, и их можно называть этим термином без оговорок, В других осадках встречаются обломки самых разных размеров. Валунная глина может состоять из крупных галек, погруженных в тонкий алевритовый материал. В реликтовые галечники часто привносится песок и алеврит. В этих случаях детальное описание осадка ведется с помощью различных схем, среди которых наиболее удобны треугольные диаграммы (рис. 2.1). К сожалению, ценность таких диаграмм невысока, так как нет общепринятой единой схемы их построения и они могут сильно отличаться одна от другой.

Обломочные породы, сложенные зернами почти одинаковых размеров, образуются при особых условиях и их выделяют как хорошо сортированные осадки. Однако большинство обломочных отложений содержит различные зерна и в соответствии со степенью вариаций их размеров относятся к слабо сортированным или плохо сортированным. В крайних случаях, как, например, в случае валунной глины, отложения состоят из почти несортированных обломков.
Хотя степень сортировки можно приблизительно оценить визуально, однако часто необходимо более детально сравнить ряд осадков. Имея дело с галечниками или песками, такое сравнение можно осуществить, просеивая образец через набор сит и взвешивая или замеряя объемы выделенных фракций. Результаты такого ситового анализа можно сравнивать в табличной форме, как это показано в табл. 2.2.

В общем ценность ситового анализа и сравнимость его результатов зависят от однородности размеров отверстий сита. Ho даже в этом случае результаты ситового анализа могут сильно искажаться из-за формы галек и песчинок: длинные узкие обломки будут проходить через сито, тогда как изометричные зерна того же объема будут оставаться на сите. Поэтому материал, остающийся на сите данного размера, в действительности будет характеризоваться не только размерами, но и своеобразной формой.
Для осадков, сложенных в основном частицами крупнее алеврита, все анализы можно выполнить с помощью сит, хотя следует помнить, что число точек для построения графика гранулярного состава будет зависеть только от числа сит. Более мелкие фракции лучше разделяются в воде с помощью некоторых методов, основанных на изменении скорости оседания в зависимости от размера частиц. Многие исследователи применяют гидравлические методы анализа для всех материалов с диаметром частиц менее 1,0 мм. Скорость оседания минеральных зерен в стоячей воде зависит от их размера, формы и удельного веса. Удельный вес играет большую роль в случае песков, и если образец содержит много зерен с удельным весом, иным, чем у кварца (2,65), то желательно не прибегать к гидравлическим методам, за исключением тех фракций, которые нельзя разделять на ситах. Однако удельный вес почти не оказывает влияния на скорость оседания зерен тонкого алеврита, а для ила имеется предельный размер, ниже которого частицы одинакового размера и одной формы ведут себя почти одинаково даже в том случае, если они резко различаются по удельному весу. Это происходит из-за того, что гравитационные различия для очень мелких частиц малозначимы по сравнению с величиной поверхностного сопротивления частиц. И в этих фракциях форма зерен выступает как важный фактор в определении их поведения как в стоячей, так и движущейся воде. Пластинчатое зерно, как, например, слюдяная чешуйка, обладает большей удельной поверхностью, чем сферическое зерно равного веса, и, следовательно, легче выносится в суспензии в восходящем потоке и более медленно осаждается в стоячей воде. Многие глины состоят из тончайших чешуйчатых и хлопьевидных кристаллов, что сильно увеличивает поверхностное сопротивление частиц их оседанию в воде.
Сказанное выше свидетельствует о том, что с помощью механического анализа нельзя с большой точностью определить диаметры зерен. По этой причине многие исследователи, имеющие дело в основном с тонкозернистыми осадками или почвами, предпочитают представлять результаты анализов в виде показателей скоростей оседания или гидравлических величин вместо диаметров частиц. Однако для нашей цели такой подход не годится, так как диаметры частиц более крупных фракций, размер которых по необходимости приходится определять путем фактического обмера, пришлось бы переводить, вводя читателя в заблуждение, в скорости оседания. При некоторых допущениях нам гораздо удобнее скорости оседания пересчитать на диаметры частиц, однако всегда следует помнить о том, что такой пересчет не дает нам ничего иного, как только условное изображение факта, и что, по крайней мере для более тонких фракций, диаметры, рассчитанные из гидравлических характеристик, могут сильно отличаться от действительных размеров частиц.
В обломочных отложениях почти все зерна песка и алеврита представлены кварцем и другими минералами примерно такого же удельного веса. Поэтому лучше всего использовать в качестве стандарта кварц и определять зависимости между диаметром частицы и гидравлической величиной при допущении, что весь материал сложен почти сферическими частицами с удельным весом 2,65. Это обеспечивает вполне реальную картину для песков и алевритов, однако диаметры более мелких частиц, вычисленные по их гидравлическим величинам, нельзя считать строго соответствующими истинным размерам явно несферических частиц. Для осадков с небольшим содержанием глинистой фракции, возможно, лучше всего составлять эмпирическую кривую, отражающую зависимость между гидравлической величиной и диаметром изометрических зерен вплоть до тончайших частиц, которые можно измерить под микроскопом. Такая кривая, показывающая величины, обычно получаемые в анализах методом декантации, показана на рис. 2.2.
Фракционный состав осадка может быть определен, исходя из предположения, что осаждение суспензии происходило в стоячей воде, в которой более крупные зерна оседают быстро, а остальные фракции —более медленно в соответствии с размером зерен.

Наиболее часто применяются пипеточный анализ и метод седиментационных трубок. Пипеточный метод довольно груб, но вполне удовлетворителен для приближенной оценки. Суспензия осадка низкой концентрации помещается в градуированный цилиндр, и через определенные промежутки времени с определенного уровня цилиндра берется проба суспензии и взвешивается. Данные для построения кривой гранулярного состава рассчитываются по весу проб осадка.
В методах с использованием седиментационной трубки скорость накопления известного количества осадка, помещенного в вертикально стоящую трубку, заполненную водой, измеряется с помощью модифицированных весов. Путем расчета строятся кривые гранулярного состава, которые более точны и лучше воспроизводимы, чем кривые, основанные на пипеточном методе, и легче поддаются статистической обработке. Более того, в противоположность ситовому анализу эти кривые строятся на основе непрерывной последовательности точек.
Когда имеют дело с плотными песчаниками и алевролитами, то весьма трудно применить ситовый и гидравлический анализы, так что размер зерен определяется уже иначе — в шлифах. Этот метод заключается в измерении диаметра обломочных зерен с помощью окулярного микрометра. Как и все другие аналитические методы, он нуждается в стандартизации. Шлифы должны быть одинаково ориентированы, желательно параллельно плоскости напластования, а отдельные зерна замерены через определенные интервалы по линии пересечения поля шлифа. Полученные таким образом результаты в какой-то степени будут отличаться от данных, получаемых другими методами. Данные, полученные различными методами, редко сопоставимы, и если сравнение проводится, то только с большими оговорками и с помощью математических пересчетов.
Разработаны различные методы графического представления данных, причем один из простейших — это метод составления гистограммы (рис. 2.4). Вес каждой выделенной фракции изображается в виде площади прямоугольника. Если выбрать соответствующие границы размерности фракций, то такие прямоугольники можно изображать с одинаковой шириной, тогда площадь прямоугольников будет определяться их высотой и процентное содержание каждой фракции в образце можно отобразить в делениях вертикальной шкалы.

Метод графического изображения, который применяется в этой книге, известен как построение кумулятивной кривой, или кривой нарастающих содержаний (рис. 2.5). На горизонтальной оси показаны диаметры частиц, а на вертикальной — весовое содержание частиц больше определенного диаметра. Например, если из образца весом 100 г на сите 1,00 мм остается 70,5 г (как в образце 2, табл. 2.2), то мы отмечаем это содержание против диаметра 1,0 мм. Затем образец должен быть просеян через сито другого диаметра, причем против диаметра отверстия сита наносится суммарный вес уже выделенных фракций до тех пор, пока не будет получено достаточное количество точек, чтобы можно было построить плавную кривую. Часто удобно применять логарифмическую шкалу для диаметров зерен (как на рис. 2.5 и 2.6), так как она позволяет проводить более точные сопоставления.

Следует помнить, что в различных шкалах размер зерен выражается не в миллиметрах. Обычно седиментологи применяют шкалу единиц φ, в которой диаметр зерен, отложенный на арифметической шкале, выражен через отрицательный логарифм при основании 2 диаметра, измеренного в миллиметрах, т. е. φ=-log2 диаметр (в мм). Хотя это выражение достаточно сложное, но им довольно просто пользоваться если иметь перед собой переходную таблицу (табл. 2.3).

Кумулятивная кривая для хорошо сортированного осадка будет представлена вертикальной линией; если же имеется смесь зерен разных размеров, то чем лучше сортировка, тем более крутой наклон имеет эта кривая. Механически раздробленный материал при анализе обычно дает меньшие содержания для крупных и мелких фракций, чем для средних, поэтому на графике состав такого образца изображается в виде S-образной кривой, имеющей более крутой наклон в средней части, чем у ее концов. О степени сортировки свидетельствует крутизна среднего участка кривой, а разброс размеров зерен графически отображается расстоянием по горизонтали между точками пересечения кривой линий нулевого и 100%-ного содержаний. Эоловые пески обычно имеют очень хорошую сортировку, и их состав отображается очень крутыми линиями, как на рис. 2.6. Некоторые отложения водных потоков, такие, как пески передовых дельтовых слоев и морские пляжные галечники, также имеют хорошую сортировку. Валунные глины сложены почти несортированной смесью обломков, но если анализируется достаточно крупный образец, то кумулятивная кривая имеет четкую S-образную форму.
В инженерной геологии хорошо сортированными осадками (well graded) называют осадки, содержащие обломки всех размерностей, от крупных до малых, такие, например, как валунные глины, и наоборот, к плохо сортированным (poorly graded) относят однородные, хорошо сортированные породы.