Перейти к основному содержанию

Классификация обломочных пород

Классификация обломочных частиц и слагаемых ими пород

Типичные обломочные породы подразделяются, в первую очередь, но величине слагающих их обломков. В советской петрографии осадочных пород принята десятичная классификация обломочных и глинистых частиц. Она характеризуется тем, что конечные размеры выделяемых групп в 10 раз превосходят друг друга. Отсюда получается ряд чисел: 1000, 100, 10, 1, 0,1 и 0,01 мм, характеризующий размер выделенных фракций. Так, считают, что грубообломочные породы сложены преимущественно обломками более 1 мм, песчаные — зернами от 1 до 0,1 мм, алевритовые — — от 0,1 до 0,01 мм, глинистые — частицами, меньшими 0,01 мм. Аналогичный принцип подразделения обломочных частиц применяется и в Германии лишь с тем отличием, что в основу ряда положено число 2, а не 1. Поэтому получены следующие размеры: 2000, 200, 20, 2, 0,2, 0,02, 0,002 и 0,0002 мм. ’
Оба эти варианта десятичной классификации имеют лишь одно пре-имущество — они легко запоминаются. Во всех других отношениях их нельзя признать удачными, так как в основу положен ряд чисел, механи-чески «наложенный» на обломочные частицы, а не выведенный из измене-ния их свойств по мере преобразования размеров, на что уже обращал внимание М. К. Калинко.
Между тем именно на учете таких изменений и должна базироваться научно обоснованная классификация обломочных частиц. Из этого положения исходят, в частности, почвоведы и грунтоведы. В отличие от геологов, они обычно имеют дело не с цементированными породами, а с рыхлыми отложениями, в которых преобразование свойств частиц по мере увеличения или уменьшения их размера выражено гораздо резче. Этим и объясняется, то, что почвоведы, и в особенности грунтоведы, пользуются иной классификацией обломочных частиц по сравнению с геологами. Так, в отечественной петрографии осадочных пород песчаными считаются частицы лишь от 1,0 до 0,1 мм. В грунтоведении же к этой группе относятся уже зерна от 2 до 0,05, а почвоведы считают песчаными даже частицы от 3 до 0,05 мм.
Это значительно более широкое понимание песчаных частиц свой-ственно и большинству геологов зарубежных стран. Так, в США песчаными считают зерна от 2,0 до 0,05 мм, в Англии — от 2,0 до 0,01 мм, во Франции .от 5,0 до 0,05 мм, в Венгрии от 2 до 0,02 мм.
Сопоставление различных классификаций обломочных частиц (размеры в мм)
Предлагаемая
классифика
ция Классификация» принятая в отечественной петрографии осадочных пород Классификации, принятые в отечественном грунтоведении Классификация, принятая в почвоведении (Виленский, 1950) США
(Петтиджон,
1949) Германия
(Корренс,
1939) Англия
(Мильнер,
1950) Франция (Кайю, 1954) Венгрия
(Хайош,
1954) Польша (Турнау-Мо- равска, 1953)
  Сергеев,
1952 Приклонский,
1955       
Глыбы Глыбы         
1000 1000 Валуны и Валуны и  Валуны Глыбы  Глыбы Валуны Валуны
  камни камни       
Валуны Валуны      Грубообло-   500
       мочные   
       отложения   
200  200 200 Камни 256     
     Булыжники 200  200 200 Камни
 100 Булыжник       Гальки 
  100 Галька       
  Галька    Гравий    
Гальки Гальки 40   64   20 Гравий 50
   20  Гальки   Гравий  Галька
10 10 Гравий Гравий 10      
    Хрящ 4     
Гравий    < 3 Гравий     
2 Гравий 2 2  2 2 2 2 2 2
 1    Песок   Песок  
Песчаные Песчаные Песок Песчаные Песок  Песок Песок 0,2 Песок Песчаные
зерна зерна  зерна       и более
          мелкие
          частицы
 0,1    0,06   Алеврито-  
        вые частицы  
0,05 Алеврит 0,05 0,05 0,05  0,01 0,01 0,02 0,02 
Алевритовые 0,01 Пыль Пылеватые Пыль Силт Глина Глина Пылеватые Ил 
частицы   частицы     частицы  
0,005 Глинистые  0,005  0,004   0,002 0,002 
 частицы         
Глинистые  0,001 Глинистые 0,001 Г лина   Глина Глина 
частицъ^  Глина частицы Ил      


 

 
Неодинаково понимаются и размеры алевритовых частиц. Советские иетрографы-осадочники относят к ним частицы от 0,1 до 0,01 мм, а грунтоведы от 0,05 до 0,005 мм. Близкие размеры приняты геологами США (0,06 — 0,004 мм), а также Венгрии (0,02—0,002 мм). В целом нижний предел алевритовых и одновременно верхняя граница глинистых частиц, согласно существующим классификациям, изменяется от 0,01 до 0,001 мм фгабл. 1—IV).
Где же правильнее проводить границу между глинистыми и обломоч-ными частицами? Ответ на этот вопрос, как это указывалось выше, сле-дует искать в констатации изменения свойств частиц по мере изменения их размера.
Граница между обломочными и глинистыми
частицами
Граница между обломочными и глинистыми частицами определяется прежде всего явлениями коагуляции, играющими очень большую роль в осадкообразовании, а также изменением минерального состава частиц и обусловленным им преобразованием физических свойств отложений.
Наибольший размер частиц в растворе, при котором происходит его коагуляция, меняется в широких пределах в зависимости от физических свойств веществ. Если положить в основу наблюдения над коагуляцией суспензий, приготовленных из частиц кварца, то из обстоятельных исследований П. Туорила (Tuorila, 1927) следует, что слабо заметная коагуляция имела место уже при поперечнике частиц около 0,04 мм. Отчетливо выраженной она становилась при приготовлении суспензии из фракции 0,01—0,005 мм (более мелкие частицы при этом в суспензии отсутствовали). Поэтому этот размер зерен в суспензиях и следует счи-тать за верхний предел проявления коагуляции.
Разграничение обломочных и глинистых частиц невозможно далее йез учета их минерального состава. Известно, что многие важнейшие свойства глинистых отложений (пластичность, влагоемкость и пр.) опре-деляются их минеральным составом. К сожалению наблюдения над минеральным составом различных фракций одних и тех же глин еще немногочисленны. Однако уже имеющиеся данные представляют зна-чительный интерес.
На фиг. 1—IV показано изменение содержания кварца и глинистых минералов в кембрийской синей глине Прибалтики (Pralow, 1938), юрских и четвертичных глин Германии (SchKinz, 1933), в современной красной глубоководной глине и голубом илу (Correns, 1939).
Как видно на фиг. 1, глинистые минералы присутствуют почти во всех изученных образцах во фракциях <0,01 мм. Однако количество их здесь еще не очень велико и много меньше, чем содержание кварцевых частиц. По мере уменьшения размера частиц глинистые минералы встречаются в них все чаще, и во фракции <0,002 мм они присутствуют примерно в том же количестве, что и кварц. Полевые шпаты в значитель-ном количестве встречаются только во фракции больше 0,01 мм.
Среди частиц <0,005 мм обычно уже преобладают глинистые ми-нералы. Обломочные зерна полевых шпатов практически отсутствуют. Следовательно, минеральный состав частиц крупнее и мельче 0,005 мм ■существенно различен. Поэтому с точки зрения минерального состава
именно здесь и нужно проводить границу между глинистыми и алеври-товыми частицами.
Такая точка зрения разделяется многими исследователями. Так П. Траск (Trask, 1950) во вступлении к сборнику статей по применению
литологии в инженерной геологии указывает на то, что размеры частиц глинистых минералов редко превосходят 0,005 мм, он поддерживает точку зрения тех исследователей, которые предлагают именно этот размер за рубеж, разделяющий глинистые и более крупные частицы. У частиц, меньших 0,005 мм, уже отчетливо заметна коагуляция и обнаруживается броуновское движение. Кроме того, среди них значительно уменьшается содержание карбонатных и обломочных зерен и, наоборот, резко возрастает количество глинистых минералов. Особенно мало- в рассматриваемой фракции обломочных зерен полевых шпатов. Хотя по всем свойствам фракция 0,005—0,001 мм и является промежуточной между более крупными и более мелкими частицами, но с последними она все же связана гораздо теснее.
Глинистые частицы в указанном выше понятии необходимо подразделять на крупные- (0,005 — 0,001 мм), мелкие- (0,001—0,0002 мм) и коллоидные (< 0,0002 мм). Основанием для разделения крупной и мелкой фракции является заметное изменение минерального состава, а также и всех других свойств у частиц крупнее и мельче 0,001 мм. На выделении частиц, меньших 0,0002 мм, в самостоятельную группу настаивал П. П. Авду- син (1953) на том основании, что они становятся совершенно неразличимыми в обычном (световом) микроскопе. Кроме того, частицы <0,0002 мм образуют уже типичные коллоидные растворы.
Необходимость разделения 
Выделение коллоидных частиц < 0,0002 мм в поперечнике преду-сматривал в своей классификации и Корренс (Correns, 1939).
Граница между алевритовыми и песчаными
частицами
Алевритовыми, или пылеватыми, частицами следует считать лишь частицы крупнее 0,005 мм. Для того, чтобы установить верхний предел их размера, рассмотрим процесс осаждения.
Скорость осаждения частиц крупнее 0,005 мм определяется фор-мулой Стокса, согласно которой она пропорциональна квадрату радиуса осажденных зерен. Однако многочисленные экспериментальные наблюдения и теоретические расчеты показывают, что по мере увеличения размеров осаждающихся частиц формула Стокса становится непригодной, так как крупные зерна осаждаются со скоростью, пропорциональной уже не квадрату радиуса, а квадратному корню из него. В результате этого скорость осаждения возрастает при увеличении размера частиц гораздо в меньшей степени (фиг. 2-IV).
Естественно, что размер частиц, при котором происходит столь существенное изменение закономерности осаждения, должен быть использован при классификации обломочных зерен.
Судя по данным Б. Н. Архангельского и Г. В. Лапшина, замедление скорости осаждения начинается при поперечнике частиц в несколько сотых миллиметра (см. фиг. 2—IV). Крумбейн и Петтиджон (Krumbein and Pettijohn, 1938), суммируя экспериментальные данные западноевропейских и американских исследователей, также пришли к выводу о том, что с законом Стокса согласуется лишь осаждение частиц, меньших 0,04 мм. Более же крупные частицы погружаются несколько медленнее (фиг. 3—IV).
Таким образом, закон Стокса применим к частицам примерно до 0,05 мм в поперечнике. Эту величину и следует принять в качестве верхнего предела алевритовых частиц вместо используемого в настоящее время нетрографами-осадочниками размера 0,1 мм.
Правильность выбора поперечника 0,05 мм для разделения алеври-товых и песчаных зерен определяется еще одним обстоятельством, имею-щим большое геологическое значение. Чем меньше размер частиц, тем из-за их слипания менее заметно различие скорости течения, взвешивающего их в потоке и перемещающего по дну. Как показал Хьюль- стром (Hjulstrom, 1939), алевритовые отложения размываются при несколько большей скорости течения, чем песчаные (фиг. 4—IV).
Г. И. Шамов (1945) на основании рассмотрения особенностей гра-нулометрического состава различных наносов подразделяет их на две группы: транзитные и руслоформирующие. К транзитным наносам, т. е. переносимым главным образом во взвешенном состоянии, Г. И. Шамов относит частицы меньшие 0,10—0,05 мм, а к руслоформирующим, 
в зависимости от физико-географических условий бассейна и характера речного потока, частицы, большие этого размера. Таким образом, и
1 — кривая вычислена по закону Стокса; 2 — экспериментальные дан-
ные по Шене; з — то же по Хильгарду; 4 — то же по Аттербергу;
5 — то же по Босвеллу; в — то же по Ричардсу.
в данном случае размер частиц около 0,05 мм является критическим, так как более крупные зерна переносятся главным образом по дну потока, а более мелкие — во взвешенном состоянии.
Различие гидродинамического поведения зерен крупнее и мельче 0,05 мм сказывается иногда и на гранулометрическом составе морских осадков. Именно в случае двух- вершинности кривой их распределения минимум между двумя максимумами очень часто совпадает с фракцией 0,05—0,01 мм. Это очень хорошо заметно при рассмотрении, напри-мер, гранулометрического состава современных осад-
„ , т„ _ _ ков Каспийского моря,
Фиг. 4—IV. Приближенные кривые для эрозии и пячттпттттногти котопых
отложения обломочных частиц различных размеров вое разнивицмиот и nui иры А
(по Хьюльстрому). с двухвершинной кривой 
распределения обладают минимумом, приуроченным к фракции 0,005— 0,01 мм (М. В. Кленова и др., 1956).
Таким образом, анализ гидродинамических свойств обломочных частиц свидетельствует о том, что размер зерен 0,05 мм является крити-ческим, и именно здесь нужно проводить границу между песчаными и алевритовыми частицами.
К выводу о том, что частицы 0,05 мм следует относить к песчаным, приходят и многие грунтоведы, например М. А. Сергеев (1952), подчер-кивающий, что частицы 0,1—В,05 мм свободно отделяются от других при просеивании. В сухом состоянии они представляют собой типичные сыпучие тела, которые нельзя назвать иначе как песком.
Таким образом, нужно считать, что размер алевритовых частиц изменяется от 0,05 до 0,005 мм. Среди них следует различать крупные (от 0,05 до 0,01 мм) и мелкие (от 0,01 до 0,005 мм).
Характерной чертой алевритовых частиц является наличие среди них примеси глинистых частиц. Поэтому они обладают обменной спо-собностью, некоторой пластичностью, липкостью, линейной усадкой и временным сопротивлением сжатию (Морозов, 1949). Все эти свойства выражены значительно слабее, чем у глин, но все же они резко отделяют алевритовые частицы от песчаных, у которых эти свойства практически отсутствуют.
Алевритовые частицы, если к ним относить частицы от 0,05 до 0,005 м.м, разделяются на фракции при помощи гидравлических методов анализа, основанных на формуле Стокса. Они содержат также заметное количество тяжелых минералов, выделять которые можно при помощи центрифуги. Наконец, алевритовые частицы можно легко различать под микроскопом (обычном^световом) без специальных приспособлений.
Граница между песчаными
и гравийными частицами
Положение границы между песчаными и гравийными зернами является менее определенным, чем рубеж, разделяющий песчаные и але-вритовые частицы.
На фиг. 5—IV приведены кривые соотношения размера частиц и скорости, необходимой для их взвешивания при различной степени тур-булентности потока. Рассмотрение этих кривых показывает, что законо-мерность, связывающая эти две величины, резко изменяет свой характер у зерен размером от 1 до 2 мм. Последний предел более вероятен, если учесть кривую Хьюльстрема (см. фиг. 4—IV), так как зерна в 2 мм начинают эродироваться при такой же скорости, как и частицы 0,05 мм, т. е. в этом случае вся группа песчаных зерен придет в движение при одной и той же скорости течения.
Поперечник зерен в 2 мм принимается в качестве рубежа между песчаными и гравийными частицами и многими геологическими, а также грунтоведческими классификациями.
Известно, что в обломочных породах состав зерен зависит от их размера. При его возрастании, начиная примерно с 1—2 мм, намечается увеличение роли обломков пород за счет минералов и как правило, исче-зают из числа зерен полевые шпаты (фиг. 6—IV).
Для крупнообломочных пород (псефитов) характерно именно то, что они образованы обломками пород, а не минералов, как многие пески. Среди обломков пород могут быть все их типы и классы, за исключением
6 Основы литологии. 
особенно рыхлых и непрочных. В этом отношении гравийные зерна не составляют исключения.
Если относить к песчаным зерна от 0,05 до 2,0 мм, то их следует подразделять на те же пять групп, которые предусматриваются существую-
Г— сильная турбулентность; 2 — слабая турбулентность; 3 — кривая ско-
рости, необходимой для начала качения частиц по дну потока.
1 мм нужно именовать грубыми, 0,25 мм — средними, от 0,25 до 0,10 мм— мелкими и от 0,1 до 0,05 мм — тонкими. В зависимости от преобладания той или иной фракции следует различать грубо-, крупно-, средне-, мелко-и тонкозернистые пески.
Из перечисленных градаций песчаных зерен с гидродинамической точки зрения, вероятно, наиболее важно подразделение их на две группы: крупнее и мельче 0,5—0,25 мм. Как следует из графика Невина (см. фиг. 5—IV), излом кривой изменения скоростей движения воды, необходимый для взвешивания частиц, происходит при размере зерен около 0,5 мм.
Изменение зернистости пе
европейской части СССР пришел к выводу, что кварцевые пески обычно гораздо более мелкозернисты и лучше сортированы по сравнению с поле- вошпатовыми. Это явление он объяснил резким ускорением выветривания зерен полевых шпатов по мере уменьшения их размера. Кроме того, имеет значение то, что мелкозернистые пески подвергаются обычно более длительному переносу.
Таким образом, различные фракции песков, так же как и алевритов и глин, неск'олько неодинаковы по своему минеральному составу.
Граница между гравийными и галечными частицами
Как было показано выше, нижний предел гравийных частиц следует считать 2 мм. Верхняя их граница проводится исследователями самым разным образом. В грунтоведении (М. А. Сергеев, 1952) за нее принимают
 
Фиг. 7—IV. Кривая соотношений чисел Рейнольдса и коэффициента сопротивления.

40 мм, в технике 60 мм, в осадочной петрографии 10 мм. Последняя цифра, с точки зрения гидродинамики, наиболее правильна.
При движении тела возникают завихрения, резко изменяющие сопро-тивление движению. Рейнольдс на основании своих известных опытов показал, что вихревые движения образуются при определенном режиме струи, характеризующимся величиной, названной в его честь числом Рейнольдса (R),
п vd А
К =    ,
р
где v — скорость течения;
d — диаметр шарообразного тела;
А — плотность жидкости; -
ц — коэффициент ее вязкости.
Реелей нашел зависимость между числами Рейнольдса и силой сопротивления, испытываемого шарообразным телом в струе. Эта зависимость выражается в виде специальной диаграммы (фиг. 7—IV). На ней легко узнать прямолинейный отрезок, соответствующий числам Рейнольдса, меньшим 0,1—0,5, т. е. зернам < 0,05 мм, к которому применима формула Стокса.
Второй излом в кривой наблюдается при числе Рейнольдса, равном 600, что отвечает зернам около 2 мм в поперечнике. Между этими двумя точками расположится участок кривой, характеризующийся отложением песчаных зерен.
Еще большие значения числа Рейнольдса соответствуют переносу гравийных частиц. На фиг. 6—IV видно, что кривая проходит более или менее горизонтально вплоть до чисел Рейнольдса, соответствующих 100 000—200 000, где наблюдается резкий изгиб кривой. Он обусловлен смещением места зарождения вихрей и уменьшением площади вихревой области. Этот крупный излом кривой й необходимо взять в качестве рубежа, разделяющего гравийные и галечные частицы. К сожалению, наблюдения над осаждением гравийных частиц почти не производились, но есть основания полагать, что число Рейнольдса порядка 100 000 соот-ветствует размеру зерен 10—12 мм в поперечнике. Целесообразность выбора именно такого верхнего предела величины гравийных частиц определяется также изменением характера их окатывания.
Судя по данным К. Корренса (Correns, 1939), изменение ско.рости окатывания наблюдается у зерен, больших и меньших 2 мм. Другой излом кривой соответствует обломкам около 10 мм в поперечнике.
Таким образом, гравийными нужно считать зерна от 10 до 2 мм в поперечнике. Их целесообразно подразделять, вероятно, лишь на две группы: крупные гравийные частицы от 10 до 5 мм в поперечнике и мел-кие гравийные частицы от 5 до 2 мм.
Гравийные частицы, в отличие от песчаных, практически не обладают молекулярной влажностью, капиллярного поднятия воды в них не происходит, обычно турбулентное движение. Водопроницаемость гравийни- ков очень велика.
Граница между гальками и валунами
Классификация и наименование крупных обломков разработана чрезвычайно плохо. Американские геологи не выделяют гравийных час-тиц и рассматривают их как гальки, максимальный размер которых они определяют в 64 мм. Обломки от 64 до 128 мм выделяются ими под на-званием булыжников (cobble). Еще более крупные обломки называются валунами. В немецкой литературе, наоборот, не выделяют галек. Частицы от 1 мм до 10 см называют гравием (kils), а более крупные частицы — глыбами. Французы выделяют гравий (0,5—5 см), гальки (5—10 см) и глыбы.
Опыт изучения грубообломочных пород показывает правильность принятого у нас обособления границ галек, валунов и глыб. Однако гидродинамические условия переноса и отложения трех последних категорий обломков еще совершенно не изучены. Поэтому в настоящее время их подразделение может быть произведено лишь условно.
Гальками обычно называют окатанные обломки до 10 см в попереч-нике. Более крупные обломки, до 1 м в поперечнике, именуют валунами, я еще более крупные — глыбами.
В таком понимании гальки подразделяются на крупные (10—5 см), средние (5—2,5 см) и мелкие (2,5—1 см) и говорят о крупно-, средне- и мелкогалечных конгломератах . 
Среди валунов нужно различать также три группы: крупные (100—■ 50 см), средние (50—25 см), мелкие (25—10 см).
f- X
^ QJ СТЗ
ш ns
О. 05 О Ц п ш О QJ о С S I- 0~> с*5 х
х: х о L
Из приведенных выше данных видно, что общепринятая ныне в петрографии осадочных пород десятичная классификация обломочных частиц не соответствует их естественной группировке, обусловленной гидродинамическими условиями. Поэтому она должна быть усовершенствована. Это улучшение существующей классификации должно идти по направлению некоторого изменения конечных размеров групп частиц с точки зрения_ анализа условий их отложений (фиг. 8—IV).
 
 
Валуны 1000 -100
Галька 100 -10
Фиг. 8—IV. Сопоставление признаков различных типов обломочных
отложений.
Разработанная Л. Б. Рухиным классификация обломочных частиц во многом соответствует их естественной группировке, обусловленной гидродинамическими особенностями, специфическим составом и методами изучения. Однако она нуждается в доработке.
Стремясь к выделению естественных групп (классов), характеризующихся определенными свойствами, заметно меняющимися при переходе от одного класса к другому, Л. Б. Рухни предложил: 1) сместить границу между песками и гравием так, чтобы к последнему относились чаетицы более 2 мм в поперечнике и 2) делить гравий на две подгруппы — мелкий гравий (2—5 мм) и крупный гравий (5—10 мм). Для галек и валунов допускается сохранение прежних границ и деление на три подгруппы: крупные, средние, мелкие (фиг. 9—IV).
Действительно, наиболее мелкая фракция псефитов ио условиям своего образования и распространения в природе тяготеет к пескам. Промышленное использование гравия (хряща) и галечников (щебенки) также различно."Все это позволяет ставить вопрос о необходимости пересмотра границы между двумя группами обломочных пород — псефитами и псаммитами. Быть может правильней будет проводить ее даже не по размеру зерен в 2 мм, как это принято в некоторых классификациях и как это рекомендует Л. Б. Рухин, а по размеру в 5 мм. Вообще можно заметить, что в свете имеющихся данных в основу десятичной системы следует, по-видимому, положить на единицу, как это распространено у нас,- и не 2, как это практикуется в Германии, а 5. Тогда выделенные группы (фракции) будут более близки к устанавливаемым по гидродинамическому принципу. 
Классификация, предложенная Л. Б. Рухиным, при всех ее достоинствах и полезности для литологов лишена, однако, преимущества десятичных классификаций — большей равномерности шкалы, облегчающей, между прочим, систематику смешанных разновидностей обломочных пород. Выделенные в ней классы пород неравноценны, что затрудняет ее широкое использование. Особенно увеличен объем песков и, наоборот, уменьшен — гравия.
Кроме того, разнородны и подразделения групп на подгруппы; алевриты и гравий разделены на две подгруппы: галька, валуны и глины — на три подгруппы,
 

а пески — на пять. Для галек и валунов оставлены прежние десятичные границы и прежние же их подразделения, т. е. до конца выдержать «гидродинамический принцип» в классификации не удалось. Ред.


Поделиться с друзьями


 


Mineralmarket