Бергер М.Г. Терригенная минералогия

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 43

Группы твердости минералов, по С. И. Лебедевой

Твердость

Группа

по шкале

кгс/мм

Группа

по шкале

кгс/мм

Мооса

кгс/мм

Мооса

кгс/мм

I 1 — 1,5

7—30* VI -

4,5—5 350—550

1,5—2

30—60

VII

.5—6

550—800

III 2—3

60—120

VIII

6—7 800—1100

3—4 120—200

>7 > 1100

V • 4—4,5

200—350

* Все интервалы даются приблизительно.

минералов, обладающих высокой- химической устойчивостью

(например, графит).

Однако по мере роста физико-механической устойчивости

минералов значимость данного показателя в определении со-

става TMA снижается. Минералы с твердостью 2—3 по шкале

Мооса при достаточно высокой их химической устойчивости до-

вольно широко накапливаются в составе терригенных компо-

нентов осадочных толщ, и результаты их участия в процессах

минералогической дифференциации обломочного вещества, их

миграция или фиксация в осадке и тем более их сохранение или

уничтожение определяются не столько физико-механической ус-

тойчивостью этих минералов, сколько их химической и гидро-

аэродинамической устойчивостью. В этом отношении показа-

тельны примеры распространения и распределения в осадочных

образованиях терригенного золота, мусковита, биотита и ряда

других терригенных компонентов. Даже для золота, обладаю-

щего исключительно высокой плотностью и довольно низкой

твердостью, наряду с утверждениями о его быстром истирании

при транспортировке, высказывается основанное, в частности,

на результатах экспериментов мнение о том, что его физическое,

в том числе абразивное, измельчение при транспортировке не-

велико (С. В. Колесов, В. А. Новиков, С. В. Яблокова и др.).

При еще большем повышении величины физико-механиче-

ской устойчивости минералов (особенно при Я^б) их обломоч-

ные зерна песчано-алевритового размера в большинстве усло-

вий осадочного процесса, как правило, ведут себя в физико-

механическом, абразивном и прочностном отношении как рав-

ноустойчивые и практически абсолютно устойчивые *, даже ес-

ли различия в их физико-механической устойчивости очень ве-

лики (например, топаз и кианит, корунд и монацит и т. п.).

И только в условиях очень высокой гидроаэродинамической ак-

* За исключением возможной частичной трансформации их морфологии

и некоторых других исходных типоморфных особенностей.

Таблица 44

Шкала физико-механической устойчивости терригенных минералов

Оценка

Группа

Подгруппа

Микротвер-

дость,

кгс/мм

Характерные

минералы

Твердость

по шкале

Мооса

Весьма

низкая

<30

Графит, тальк,

пирофиллит

1—1,5

30-^60

Гипс, молибденит

1,5—2

Низкая

60—100

Галенит

2—3

,100—150

Кальцит

150—250 Флюорит, сфале-

рит, халькопирит

Средняя

III '

6 250—500

Шеелит, вольфра-

мит

4,5—5

500—750

Апатит, ильменит,

титанит

5; 5—6

750—1000 Ортоклаз, микро-

клин

6—6,5

Высокая

9 1000—1300

Кварц, альмандин,

турмалин, кассите-

рит

10 1300—1600

Шпинель, берилл,

топаз (?)

7,5-8

1600—2000

Плеонаст, топаз

(?)

Весьма

высокая

V '

2000—2500 Корунд

Весьма

высокая

2500—3000

Муассанит 9,5

>3000

Алмаз

тивности (русловые фации инстративной динамической фазы

горного аллювия, активное действие прибойного потока в при-

брежно-морской зоне, эоловая обстановка) можно ожидать, что

различия в физико-механической устойчивости минералов и от-

носительно высоких групп устойчивости могут в какой-то мере

отразиться на результатах минералогической дифференциации

обломочного вещества, включая не только гравийные и более

крупные обломки (прочностной отбор среди которых всегда бо-

лее значителен), но и зерна псаммитового размера.

Гидроаэродинамическая устойчивость

При характеристике свойств TM, определяющих их переме-

щение и транспортировку, используют различные и не всегда

четко определенные понятия и критерии. Пожалуй, наиболее

часто при освещении данного вопроса оперируют близкими по-

нятиями о подвижности TM, их транспортабельности (плавуче-

сти,

флотируемости), под которыми понимают обычно подат-

ливость обломочных частиц направленным на их перемещение

воздействиям и скорость их перемещения.

Во многих случаях, однако, при характеристике TM и оп-

ределении особенностей их поведения в процессе седиментоге-

неза удобно пользоваться обратной величиной, характеризую-

щей сопротивляемость обломочных частиц механическим воз-

действиям, направленным на их перемещение. Такая величина

именуется в данной работе гидроаэродинамической (гидроаэро-

механической) устойчивостью. В дальнейшем для обозначения

этого понятия и краткости будем использовать термин гидроме-

ханическая устойчивость.

С учетом известных дан-ных о механизме транспортировки

TM, в частности, огромной роли в этой транспортировке саль-

тационного («прыжкового») механизма, при котором обломоч-

ные зерна в процессе их переноса многократно переходят из

подвижного состояния в неподвижное, а затем вновь срываются

потоком, в качестве показателей гидромеханической устойчиво-

сти частиц естественно рассматривать критические скорости

)

— критическую скорость срыва (V

) частицы, т. е. мини-

мальную скорость потока, необходимую для начала транспорти-

ровки, перемещения частицы, или критическую несдвигающую

скорость (VH), Т. е. максимальную скорость потока, при кото-

рой частица еще сохраняет устойчивость и не подвергается сры-

ву, выносу, транспортировке. Так как каждый присутствующий

в осадке минерал имеет различную форму, размеры и другие

характеристики обломочных зерен, критическая на размыв ско-

рость срыва V

в тех или иных природных условиях есть наи-

меньшая величина скорости потока, при которой начинаются

массовый срыв и вынос обломочных зерен данного минераль-

ного вида.

Нередко в качестве основного показателя гидромеханиче-

ской устойчивости частиц рассматривается их гидравлическая

крупность (основная гидравлическая крупность, гидравлическая

скорость) {U), представляющая собой скорость равномерного

свободного падения частицы в неподвижной воде.

Между их гидравлической крупностью (U) и критическими

срывающей (V

) и несдвигающей (V

) скоростями существуют

простые количественные соотношения (данные В. Н. Гончарова,

Р.

А. Багнольда и др.): VJU ^4,5; VJV

~l,4.

Однако природные условия транспортировки и особенности

обломочного материала весьма сложны и многообразны. Это

может приводить иногда к значительным отклонениям от при-

веденных зависимостей. В частности, второе из приведенных вы-

ражений справедливо для гранулометрически однородного ма-

териала. Для смеси же зерен разного размера, по В. Н. Гон-

чарову, фактически обычно выполняется соотношение

/VH^2.

П. А. Волков экспериментально получил гидравлические ха-

рактеристики минералов прибрежных песков Черного моря

(табл. 45).

По Н. Н. Гришину, отношение

VJV

не постоянно по вели-

чине, а колеблется при изменении интенсивности турбулентно-

сти потока (увеличивается с ее ростом). Не постоянно и отно-

шение VJU для обломочных зерен различного размера.

Все эти гидравлические характеристики обломочных зерен

могут быть сведены к гидравлической крупности и при равных

глубине потока, величине уклона дна, размерах выступов дон-

ной шероховатости, объемной концентрации частиц у дна и т.д.

зависят от плотности, размеров и формы зерен, а также их по-

верхностных свойств.

Имеются довольно противоречивые данные эксперименталь-

ных определений гидравлической крупности TM. Недостаточную

надежность полученных к настоящему времени данных отмеча-

ет, в частности, Б. М. Осовецкий [9].

Таблица 45

Основные гидравлические характеристики минералов анапского песка

фракции —0,25+0,15 мм (по П. А. Волкову)

Минералы и их плотность

Характеристика

Кварц, поле-

вые шпаты

8=2,65

Пироксен

8=3,5

Титаномагне-

тит

8=4,5

Несдвигающая скорость волнового

8,6

14,5

19,6

потока

(VH)

СМ/С

Срывающая скорость волнового по- 17,0 24,6 36,3

тока (V

), см/с

Гидравлическая крупность (U), см/с

3,0

5,4

8,5

VJU

5,67 4,56 4,27

VJV»

1,98

1,70

,1,85

Анализируя экспериментальные данные, полученные в этой

области Б. М. Осовецким как для водной среды (табл. 46), так

и для тяжелой жидкости, моделирующей водно-аллювиальную

среду (табл. 47), в качестве наиболее существенного вывода

заметим, что в пределах каждого размерного класса гидрав-

лическая крупность различных TM, имеющих близкую по вели-

чине плотность, является, как правило, весьма близкой и после-

довательно возрастает с увеличением плотности минералов. Эти

данные согласуются с результатами, полученными В. Руби,

Г. Риттенхаузом, Л. Бриггсбм, Ю. А. Полкановым, И. Ф. Каш-

каровым, В. И. Пятновым и другими исследователями. Они

подчеркивают ведущую роль именно плотности TM, определяю-

щей поведение минералов при транспортировке и осадконакоп-

лении. Наиболее сходимы значения гидравлической крупности

близких по плотности TM для зерен менее 0,25 мм, причем не

только для материала, взятого из аллювия одной реки, но и для

аллювия разных рек.

Интересные данные по экспериментальному определению ко-

эффициентов равнопадаемости TM получены Ю. А. Полкано-

вым (табл. 48).

Эти и другие фактические данные показывают, что для

большинства TM в пределах одного класса крупности влияние

различий по морфологии и по другим характеристикам обломоч-

ных зерен, за исключением их плотности, на особенности пове-

дения различных TM при транспортировке и седиментации яв-

ляется второстепенным. Имеющиеся в литературе указания про-

тивоположного характера относятся в основном, к минералам

с весьма значительными вариациями морфологии (например,

золото), с резко уплощенной формой зерен (главным образом,

слюды) либо основаны на не вполне надежных эксперименталь-

ных данных или представляют собой неточную интерпретацию

этих данных.

По Ю. В. Шумилову и А. Г. Шумовскому, окатанные и не-

окатанные зерна кварца одинакового размера различаются по

гидравлической крупности на 20—40 %. По данным авторов,

это справедливо для зерен размером 1—2 мм (окатанные зерна

обладают большей гидравлической крупностью, чем неокатан-

ные).

Однако для зерен размером 0,5—1 мм картина оказыва-

ется противоположной: гидравлическая крупность неокатанных

зерен выше, чем окатанных (примерно на 15%). Гидравличе-

ская же крупность зерен кварца размером 0,2—0,5 мм оказа-

лась совершенно идентичной независимо от степени их ока-

танности (для еще более мелких зерен данные не приводятся).

По В. Н. Гончарову, для условий плоского турбулентного

равномерного потока K

= lg{S,SD/k

)

((2^(61-6)^)/1,756)

В соответствии с формулой *, величина срывающей скорости

* Условные обозначения в формуле частично изменены по сравнению с

обозначениями, принятыми В. Н. Гончаровым.

Гидравлическая крупность минералов

в воде, см/с (по Б. М.

Осовецкому

[9])

Минералы

Класс, мм

.j.

+0,315

1Л

с*

+0,16

со

<о

\ S

о*

О*

Эпидот

Альмандин

Ставролит

Роговая обманка

Турмалин

Ильменит

Циркон

Эпидот

Ставролит

Турмалин

Ильменит

Лимонит

Кианит

Рутил

Циркон

Эпидот

Авгит

Альмандин

Лимонит

Ильменит

Кварц

9,75

8,25

7,1

—.

10,6

9,1

10,6

9,3

8,1

9,6

8,3

7,1

10,0

8.5

7,2

8,1

6,95

5,9

0,1 7,8

6,55

—

7,6

6,6

7,2

6,2

5,5

7,1

6,25

9,6

7,8

6,55

10,6

9,05

7,75

—

9,9

8,7

8,5 7,4

6,25

7,2

6,2

5,3

Печора

6,0

7,65

6,85

6,-1

6,0

6,7

P- Дон

5,0

5,55

5,6

5,95

5,1

5,35

Вилюй

5,6

6,4

7,5

5,3

6,55

4,45

5,0

6,35

5,75

5,1

4),95

5,75

6,6

4,25

4,75

4,7

5,0

4,6

4,65

5,4

6,6

4,2

5,1

4,65

4,2

4,05

4,8

5,5

3,55

3,95

3,9

4,25

3,6

31,95

4,4

5,5

3,35

4,0

3,75

3,45

3,25

4,0

4,4

2,95

3,3

3,25

3,45

2,7

3,35

3,6

4.4

4,8

4,0

3,3

5,35

4,45

3,55

6,25

5,1 4,04

4,4 3,45

2,7

5,3

4,25

3,4

3,7

3,0

1,35

2,65

3,0

2,9

2,7

2,55

3,4

2,35

2,7

2,6

3,0

2,05

2,85

3,4

2,6

2,75

3,15

2,05

2,8

1,8

Гидравлическая крупность минералов в смеси бромоформа со спиртом, см/с

(по Б. М. Осовецкому [9])

Класс, мм

Минералы

со

(О

о"

+0,31E

(О

со

<о

•I-

со

(О

о"

р.

Вилюй

Авгит

6,1 5,5 4,5

3,8

2,7 2,65

1,6

1,4

—

Альмандин

7,75 6,8 6,4

5,1

3,7 3,3

2,3

1,7

—

Лимонит

6,1 5,2 4,5 3,6 2,4 1,7 1,25 1,05

—

Ильменит

— — —

—

4,1

3,25 2,3

2,1

—

Кварц

Эпидот

Альмандин

Ставролит

Хромит

р.

Коса (приток Камы)

2,8

2,45

1,5

2,85

3,4

3,65

3,55

1,4

2,5

3,2

2,75

3.2

1,25

1,85

2,3

2,0

2,7

1,5

1,7

1,6

2,1

Кварц

Циркон

р.

Миасс

5,1 4,3 3,5

2,95

2,3

1,9

— —

8,05

7,9 6,6 5,05

4,45

3,35

—

{Vc) обломочных зерен зависит от глубины потока (D), средней

крупности зерен смеси (k), диаметра наиболее крупных зерен,

доля которых в смеси равна 5 % (&s) плотности жидкости (б)

и плотности зерна (6i) (g—ускорение свободного падения).

Первые четыре из этих параметров общие для всех зерен неко-

торой данной смеси, подвергающейся гидродинамической сор-

тировке. Последний показатель (6i) является строго индивиду-

альным, специфическим для зерен каждого минерального вида.

Как показывают теоретические расчеты, экспериментальные

данные и результаты TM исследований многих осадочных толщ,

в первом приближении вполне можно считать, что последова-

тельность уменьшения гидроаэродинамической устойчивости TM

соответствует последовательности уменьшения их плотности (с

некоторой корректировкой этого ряда, касающейся, главным об-

разом, слюд).

С учетом вышеизложенного можно выделить пять групп TM

по их гидромеханической устойчивости, которым соответствуют

значения плотности минералов, приведенные в табл. 49.

Принятые в качестве граничных для каждой из групп TM

значения плотности (см. табл. 49) в некоторой мере условны.

Средние коэффициенты равнопадаемости минералов

комплексных прибрежно-морских россыпей,

по Ю. А. Полканову

Песок

Минерал

тонкозерни-

стый

мелкозернИ'

ст ый

Циркон

Рутил

Ильменит измененный

Корунд

Альмандин

Ставролит

Алмаз

Кианит и силлиманит

Муассанит

Турмалин

Кварц

1,27

1,30

1,31

1,35

1,38

1,68

1,0

1,08

1,14

1,18

1,00

1,10

1,20

1,25

1,31

1,44

1,45

1,50

1,55

1,60

2,05

Учитывая данные об особенностях поведения различных TM,

в качестве граничных с некоторым основанием могут рассмат-

риваться и несколько иные, хотя и близкие к указанным в

табл. 49 значения плотности: 2,85 (2,9); 3,6; 4,3; 5,2 (5,3).

Развитие и детализация предложенной общей схемы состоят

прежде всего в установлении достаточно детальных рядов от-

носительной гидромеханической (гидроаэродинамической) ус-

тойчивости (или обратных им рядов «дифференциальной под-

вижности») TM для различных условий седиментогенеза. Один

из весьма важных вопросов при этом — вопрос о методике по-

строения таких рядов, методике определения относительной

гидроаэродинамической устойчивости TM.

Основным методом объективного решения вопроса о гидро-

аэродинамической устойчивости различных TM является анализ

распределения TM в отложениях с различной степенью концен-

трации тяжелой фракции (без учета аутигенных минералов)

при соблюдении условия петрофондовой тождественности сопо-

ставляемых отложений, т. е. при условии, что непосредственное

сравнение количественных содержаний TM проводится для та-

ких отложений, которые возникли за счет одних и тех же источ-

ников сноса, из одного и того же исходного материала. Для

определения величины гидроаэродинамической устойчивости

TM и построения соответствующих рядов их относительной

устойчивости целесообразно сравнить содержание каждого из

TM в отложениях с различным содержанием тяжелой фракции

и вычислить коэффициент гидроаэродинамической устойчивости

(hd)

Ci/C

где Ci — содержание того или иного TM в отло-

жениях, для условий формирования которых определяется

устойчивость TM, C

— исходное содержание данного TM.

Группировка терригенных минералов по их относительной гидромеханической

устойчивости

Группы

минералов

по

гидромеха-

нической

устойчивости

Оценка

устойчивости

Значения

плотности

минералов,

г/см

Примеры

минералов

Весьма

низкая

<2,85

Кварц, полевые шпаты, мусковит,

кордиерит

Низкая

2,85—3,5 Турмалин, силлиманит, андалузит,

эпидот, апатит, биотит, амфиболы,

авгит, диопсид, гиперстен, оливин

(форстерит)

III

Средняя 3,5—4,0 Алмаз, лейкоксен, шпинель, кианит,

ставролит, титанит, пироп, андрадит,

оливин (гортонолит)

Высокая

4,0—5,5

Циркон, рутил, ильменит, монацит,

ксенотим, хромит, корунд, спессар-

тин,

альмандин, магнетит, перовскит,

пирохлор, оливин (фаялит)

V Весьма

высокая

>5,5 Платина, золото, бадделеит, кассите-

рит, танталит, вольфрамит, шеелит,

киноварь

Поскольку точное определение количественно-минералоги-

ческого состава материала источников сноса трудно, в каче-

стве величины C

может приниматься содержание данного TM

в отложениях с наименьшим содержанием тяжелой фракции

(при соблюдении отмеченного выше условия петрофондовой

тождественности сопоставляемых отложений).

В качестве примера воспользуемся подходом, предложенным

Дж. Нейхейзелом [28] для изучения современных и плейстоце-

новых песков прибрежной равнины шт. Джорджия (США)

(табл. 50).

Сопоставление вычисленных значений Ks(Hd) (см. табл. 50)

позволяет получить следующий ряд относительной гидроаэроди-

намической устойчивости TM (минералы расположены в по-

рядке уменьшения их устойчивости): монацит—рутил—ильме-

нит—лейкоксен—циркон—ставролит—гранат—эпидот — силли-

манит—турмалин—роговая обманка.

Полученные данные показывают, что при формировании со-

временных и плейстоценовых песков прибрежной равнины гид-

роаэродинамическая устойчивость TM определялась прежде

всего плотностью минералов. Это наглядно иллюстрируется и

графиком зависимости коэффициента гидроаэродинамической

9 Зак. 981 129

•У"

Минералы

Плотность,

г/см

Выход

50-90

тяжелой

фраки

5—30

ии,

1-5

[Hd)

Роговая

3,1

2,0 4,2

9,1

0,22

обманка

Турмалин

3,1

0,5

1,3

1,8

0,28

Эпидот

3,3 10,0 „

14,5

16,0

0,63

Силлиманит

3,3

3,0

6,0

7,8 0,38

Кианит

3,6

Следы

1,3 1,6

—

Ставролит

3,7 3,0

3,8

2,7

1,11

Гранат

4,3 1,0

1,0

1,1

0,91

Рутил

4,4 7,5 5,8 5,2 1,44

Лейкоксен

4,6 2,0 2,8

1,5

1,33

Ильменит

4,7

51,0

42,0

37,2

1,37

Циркон

4,7

16,5

14,3

13,2

1,25

Монацит

5,1

3,0

1,2

1,5

2,00

Прочие

3,5

0,5

1,3

0,38

(гидромеханической) устойчивости TM (/С

(ы>) от величины их

плотности (б, г/см

) (рис.7).

Анализ полученных данных (см. табл. 50; рис. 7) позволяет

выделить три существенно различные по гидроаэродинамиче-

ской устойчивости группы TM тяжелой фракции.

1. Минералы с высокой гидроаэродинамической устойчиво-

стью

(Ks(hd)

> 1,2) — монацит, циркон, ильменит, рутил. По мере

усиления гидроаэродинамической активности среды и повыше-

ния степени минералогической сортировки обломочного веще-

ства (что выражается, в частности, в увеличении выхода тяже-

лой фракции в накапливающихся осадках) содержание минера-

лов этой группы, как правило, последовательно увеличивается

за счет усиливающегося выноса относительно легких минералов

тяжелой фракции (роговой обманки и др.). Минералы этой

группы обладают сравнительно высокой плотностью (6=4,44-

-5-6,1).

Минералы со средней гидроаэродинамической устойчи-

востью

(/<s(hd)*»l

или

Ks(Hd)

—

0,84-1,2, в данном случае K

(hd)~

»0,9—1,1) — гранат и ставролит. Относительное содержание

этих минералов в тяжелой фракции при различной гидроаэро-

динамической активности среды осадконакопления остается

практически неизмененным. В наибольшей степени это относит-

ся к гранату (см. табл. 50). Содержание ставролита испытыва-

ет небольшие, но вполне закономерные изменения: при сравни-

тельно небольшом и среднем повышении гидроаэродинамиче-

Содержание

тяжелых минералов в современных и плейстоценовых

прибрежных

песках о. Джекилл, шт. Джорджия, США,

по

Дж. Нейхейзелу [28], и значения коэффициента гидроаэродинамической

устойчивости