Форма осадочных отложений

Формы предметов можно классифицировать несколькими способами. Из геометрии известны определения таких правильных форм, как куб, призма, шар, цилиндр и конус. Аналогичным образом в кристаллографии существует классификация твердых тел, ограниченных плоскими поверхностями. Ни одна из названных систем для характеристики формы осадочных обломков недостаточна. В лучшем случае форма гальки только примерно повторяет правильные геометрические контуры. Можно применять термины, указывающие на сходство, такие как призматическая, бипирамидальная, пирамидальная, клиноподобная или параллельно-таблитчатая формы Ho такая классификация представляет собой только качественное описание и, как правило, не имеет прямого отношения к поведению указанных предметов в процессе переноса. Вместо нее требуется количественный показатель формы, поддающийся математическому или графическому анализу, используя который можно построить кривые распределения формы или его частоты. Однако даже определенные четкие формы не удается определить простыми численными показателями. К ним относятся кристаллические формы некоторых обломочных тяжелых минералов и диагностически важные изогнутые формы, типичные для обломков вулканического стекла (осколки в туфах и туфогенных отложениях). Характерную форму пород, источенных ветром (моногранников и трехгранников), осколков грубозернистых пород, образованных временными водотоками, и сглаженных ледниковых валунов не удается выразить простым численным показателем. Тем не менее по ряду соображений оправдано применение количественного или числового показателей формы, для разработки которых выполнен большой объем исследований.

Для оценки количественных показателей формы необходимо выбрать стандарт, которым служит шар. Дело не только в том, что в результате длительной абразии обломочные зерна многих пород и минералов принимают форму шара или приближенную к нему, шар обладает некоторыми исключительными свойствами, которые делают его приемлемым стандартом. Из всех возможных форм шар обладает минимальной площадью поверхности для данного объема Благодаря этому свойству шар имеет максимальную скорость осаждения из раствора, в котором смешаны частицы всевозможной формы объема и плотности (рис. 3-17). Следовательно, при переносе в форме суспензии более сферичные частицы будут отделяться от других частиц того же размера и плотности, но обладающих менее сферичной формой.

В идеальном случае такое свойство обломка, как сферичность, определяется отношением s/S где s — поверхностная площадь сферы того же объема, что и рассматриваемый обломок, и S — фактическая площадь его поверхности. Для шара это отношение равно единице, для других обломочных частиц оно будет меньше единицы. Поскольку измерение поверхностной площади неправильного обломка представляет трудную задачу, сферичность приблизительно определяется соотношением dn/Ds, где dn — диаметр сферы того же объема, что и обломок, и Ds — диаметр описывающей сферы, обычно ее длинный диаметр.

В образцах песка или гравия каждая частица или обломок характеризуются своим значением сферичности. Часть обломков, однако, может иметь дискообразную форму, они могут быть уплощенными или вытянутыми по двум осям и укороченными по третьей. Некоторые обломки вытянуты только по одной оси и имеют продолговатую или цилиндрическую форму. Обе формы характеризуются низкой сферичностью. По коэффициенту сферичности различить эти формы невозможно. Однако при некоторых исследованиях, например при изучении строения грубообломочных отложений, делать такие различия очень важно.

В связи с этим были предложены другие показатели формы. Все они связаны с определением и измерением нескольких «диаметров» обломка и выбором одного или нескольких соотношений для характеристики формы.

Зинг для характеристики четырех классов по форме применил соотношения b/а и с/b (где a, b и с соответственно длина, ширина и толщина обломка, рис. 3-18, табл. 3-8).

Это следующие классы обломочных зерен: уплощенные, удлиненные, трехосные и равноосные, положения которых на графике коэффициента сферичности Уодела показаны на рис. 3-19.

Предлагались и другие показатели, характеризующие уплощенность или вытянутость обломка. Они рассмотрены в многочисленных публикациях. Снид и Фолк предложили поправку к определению Зинга — Уодела и дали следующую формулу для определения максимального коэффициента сферичности (c2a-1b-1)1/3, которая, по данным авторов, больше соответствует наблюдаемой скорости осаждения, чем коэффициент сферичности Уодела.

Практические трудности применения методов измерения и выражения формы или сферичности заключаются в том, что они связаны с измерениями, которые можно проводить на гальках, не связанных матриксом, и затруднены или практически невозможны в применении к песчаным зернам или литифицированным грубообломочным породам и песчаникам. Тем не менее процессы, обусловливающие форму гальки и геологическое значение этого показателя, необходимо изучать. Гальку можно извлечь из древних отложений, и этот возможный путь изучения породы не следует забывать.

Что сейчас можно сказать о геологической значимости формы гальки или песчаного зерна? Форма кварцевых зерен песков изменчива. Наблюдается тенденция зерен приобрести форму, приближенную к сферической. Однако даже в наиболее зрелых песках кварцевые зерна обнаруживают несколько удлиненную форму, соотношение длинной и короткой осей колеблется от 1,0 до 2,5, приближаясь в основном к 1,5. Уэйланд отметил тенденцию обломочного кварца к удлинению по оси с и связывал это явление с неравномерным истиранием, объясняемым небольшими различиями в значениях твердости по разным кристаллографическим направлениям. Удлинение кварцевых зерен параллельно оси с (рис. 3-20) наблюдалось некоторыми исследователями в тверженных и метаморфических породах, даже в гранитах, являющихся источником образования отложений. Следовательно, окончательная форма обломочного зерна в значительной степени определяется его первоначальный формой. Лабораторные исследования показали, что кварц обладает слабой призматической и ромбоидальной спайностью, поэтому зерна, образующиеся при растрескивании, оказываются удлиненными параллельно оси с или под незначительным углом к ней; это явление отмечалось и ранее. Таким образом, форма зерен обломочного кварца в основном объясняется euo первоначальной формой или характером трещиноватости. Некоторые исследователи предполагали, что зерна кварца метаморфических пород более удлиненной формы, чем зерна изверженных пород и что по этому признаку можно различать обломочный кварц из этих источников. Последующие исследования не подтверждают это предположение.

Считается, что форма галек также в значительной степени предопределяется первоначальной формой обломка, которая в некоторых случаях зависит от текстуры породы. Однако нельзя отрицать, что под влиянием некоторых геологических процессов форма гальки изменяется, и можно наблюдать такие следы их деятельности, как, например, эоловая обработка песком или воздействие льда. Справедливо ли это наблюдение для пляжей, где, по данным некоторых исследователей, галька, обработанная прибоем, более плеская, чем речная? Одни исследователи поддерживают эту точку зрения — другие опровергают (рис. 3-21 и 3-22). Некоторые исследователи в результате лабораторного изучения и полевых наблюдений приходят к выводу, что процессы механического истирания, происходящие на пляже, очень слабо влияют на уплощенность гальки. Однако вполне возможно, что сортировка грубообломочного материала происходит таким образом, что уплощенная галька накапливается на пляжах, эту точку зрения развивал Ландон. В некоторой степени этот вывод получил развитие в работе Хамберта, который установил смещение уплощенной гальки вниз по пляжу и отставание от нее гальки сферической формы. Это не значит, что абразия совсем не видоизменяет сферичность обломков. Однако большинство опубликованных работ показывает, что это преобразование незначительно и, вероятно, многие изменения, наблюдаемые вниз по течению, вызваны скорее отбором по форме, чем ее преобразованием. Эта точка зрения получила развитие в ряде работ. Однако Добкинс и Фолк, изучавшие и измерявшие сферичность и окатанность большого числа галек из рек и пляжей о. Таити, установили, что пляжевая галька обладает максимальной окатанностью и минимальной сферичностью, более плоская. Чем грубообломочные отложения в реках, переносящих материал того же состава.

Эти наблюдения позволяют предположить, что форма обломков — важный фактор в процессе осадконакопления; она реагирует на влияние потока. Некоторые исследователи установили тесную связь между сферичностью, или показателем формы, и скоростью осаждения. Лабораторные исследования Бриггса и других показали, что форма зерна так же важна, как и плотность (по влиянию на скорость осаждения различных типов тяжелых минералов). Несомненно, поведение песчаных зерен и гальки в потоке существенно отличается для их различных форм. Равноосные зерна по определению не могут обладать направленной ориентировкой, обломки в виде уплощенных дисков образуют чешуйчатую текстуру, а расположение удлиненных форм совершенно иное.