Вопросы теоретической геологии. 4. К определению понятия «ОБЛОМОЧНЫЕ ПОРОДЫ». | Lithology.Ru - Литология.РФ :

Вопросы теоретической геологии. 4. К определению понятия «ОБЛОМОЧНЫЕ ПОРОДЫ».

 В.П. Макаров

 

 ВОПРОСЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ. 4. К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОНЯТИЯ «ОБЛОМОЧНЫЕ ПОРОДЫ».
Российский государственный геологоразведочный университет, Россия

      Среди осадочных пород «обломочные породы» (далее ОП), наверное, представляют собой один из самых распространенных  классов горных пород. Поэтому на них и на их изучение геологи всегда обращали пристальное внимание. Несмотря это объем этого понятия мало кем обсуждался, и он практически полностью соответствует представлениям, существовавшим в ранние периоды становления литологии. Изначально, исключая глины, как продукт химического низкотемпературного преобразования минералов, к ним относили породы, содержащие собственно обломки пород и минералов, с одной стороны, и продукты их механического (физического) преобразования- окатанные зерна пород и минералов. Обычно последнее обосновывают тем, что окатанные зерна образованы из собственно обломков. Однако, если следовать этой схеме обоснования, то мрамора и даже скарны необходимо относить к известнякам, поскольку они образованы из последних. То же можно сказать и про парагнейсы, которые образованы, в частности, из песчаников. Совершенно ясно, что подобные объяснения не могут считаться убедительными. Поэтому отнесение окатанных зерен в класс «ОП» не имеет необходимого обоснования и вызывает возражения. Одновременно возникает сомнение в правомерности отнесения степени «окатанности» пород и минералов к морфологическим характеристикам обломочных пород. 

      

    Такая же ситуация и с антагонистом «брекчии»- галькой: что такое галька? Существует узкое определение понятия «галька» [2, т. 6, стр. 80; 5, т.1, стр. 148). Согласно ему галька ограничена в линейных размерах. Однако в литологии используются также понятия, близкие по смыслу гальке, но иных размеров: валуны, гравий и т.д. Поэтому вслед за Н.Б. Вассоевичем (1952) мы используем более общее понятие- окатыш. Отсюда вопрос: что такое окатыш?
В общем же случае «галька» (или окатыш)– «это окатанные водой обломки горных пород» [5, т.2, стр. 148]. Однако, согласно [6] это не определение, поскольку, во- первых, отсутствуют перечисления существенных (наблюдаемых!) свойств объекта, позволяющих делать подобные заключения. Во- вторых, присутствует неопределенное понятие «окатанный». Согласно [5, т.2, стр. 88] «окатанность - это степень потертости, сглаженности первоначальных ребер и углов обломка горной породы вследствие истирания его» при некоторых процессах. Выделяются пять классов окатанности, из которых класс 0 включает «совершенно не окатанные, остроугольные обломки пород (щебень, хрящ, дресва, каменная крошка, зерна- осколки)» и класс IV- «вполне окатанные обломки с одинаково сглаженной поверхностью обтекаемой формы». Из этого видно, что так называемые галька, гравий и другие подобные зерна обладают наивысшей степенью окатанности. К этому определению примыкает определение окатанности Л.Б. Рухина [11]. Тем не менее, понятие «окатанность» также не совсем корректно, поскольку не ясно, что такое «сглаженность». Для разрешения этих неясностей воспользуемся понятием «шероховатость». «…Шероховатость поверхности (ШП) – совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности детали….
При определении числовых значений ШП отсчет идет от единой базы, за которую принята средняя линия профиля. …Количественно ШП оценивается рядом параметров: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высотой неровности профиля Rz и т.д.» [2, т. 29, стр.385].

       В гидрологии шероховатость измеряется коэффициентом шероховатости h/H, где h- размер (высота) неровности, H- глубина канала, по которому движется поток [3, стр. 32- 33]. Понятно, что и здесь за глубину принято расстояние от поверхности потока до некоторой идеализированной базовой поверхности, характеризующей средний профиль дна потока.
      Оба определения шероховатости по смыслу идентичны друг другу. Очевидно, что шероховатость является антиподом сглаженности. Тогда на сглаженной поверхности шероховатость, т.е. количество неровностей на поверхности, минимальна; другими словами в процессе сглаживания (истирания) Rz → 0 (или Ra→ 0).
Для конкретного зерна также можно принять базовую поверхность, отклонение от которой определяет степень шероховатости этой поверхности. За базовую поверхность можно принять поверхность вписанного в зерно эллипсоида. Тогда в формуле М.А. Великанова [3] h- это высота уступа неровности поверхности, Н- линейный размер базовой поверхности (например, эллипсоида). Отношение ho/H определит величину шероховатости поверхности зерна и с ростом ее сглаженности шероховатость уменьшается, т.е. ho/H→ 0.
Таким образом, окатыш- это зерно, сложенное породой или минералом, поверхность которого существенно сглажена. В конечном счете окатыш имеет эллипсоидальную форму, а в идеале- шаровидную (равновесную) форму. Для формулирования текста определения «обломка» воспользуемся понятием «окрестность некоторой точки». Окрестность некоторой точки множества М - это сфера с центром в этой точке, которая заполнена другими точками множества М и радиус которой меньше некоторого наперед заданного положительного числа [7, стр. 101]. 
       Таким образом, окатыш- это зерно, сложенное породой или минералом, поверхность которого существенно сглажена. В конечном счете окатыш имеет эллипсоидальную форму, а в идеале- шаровидную (равновесную) форму. Для формулирования текста определения «обломка» воспользуемся понятием «окрестность некоторой точки». Окрестность некоторой точки множества М - это сфера с центром в этой точке, которая заполнена другими точками множества М и радиус которой меньше некоторого наперед заданного положительного числа [7, стр. 101].
       Две точки А и Б этого множества М будем называть соседними, если окрестности этих точек имеют хотя бы одну общую точку. В практическом плане соседними точками на поверхности зерна будем называть две точки А и Б, расстояние между которыми не более размера зерна по оси С.  Проведем через соседние точки А и Б на поверхности зерна плоскость, секущую зерно, а в этой плоскости - касательные к поверхности зерна в 
  Рис.1(м-2). Схема определения обломка.  

Рис.1(м-2). Схема определения обломка.

  
Пересекаясь в точке О, эти касательные образуют некоторый угол над базовой поверхностью (см. рис.); касательные также принадлежат некоторым поверхностям зерна, которые можно определить как плоскости, или грани этого зерна. Часть зерна, сечение которой секущей плоскостью расположено между этими касательными, а в более общем случае- между гранями, назовем выступом над некоторой базовой поверхностью (на рис. она показана штриховой линией). Если точка О также принадлежит выступу, то этот выступ назовем полным, а точку О -вершиной выступа. Перпендикуляр, опущенный из вершины выступа на базовую поверхность, есть высота ho этого выступа.
      Теперь сформулируем основное определение обломка для зерна, сложенного породой: зерно, в котором хотя бы одна часть является выступом над некоторой базовой поверхностью, называется обломком. Обломки подобного типа обычно называют остроугольными.
     Выступ имеет линию сочленения с основным телом зерна. Если прямая, соединяющая любые две точки этого сочленения, полностью располагается в теле зерна, то такой выступ будем называть выпуклым, или положительным. Если эта прямая не лежит в теле зерна, то такой выступ назовем вогнутым, или отрицательным. Примерами последних являются сколы кремней, имеющие вогнутую раковинообразную поверхность; или пустоты в гальке, образованные в результате вдавливания тела одной гальки в тело другой гальки.
       Если точка О лежит вне тела выступа, образуя его виртуальную вершину,  то такой выступ будем называть усеченным, срезанным, а обломок- сглаженным. Отрезок перпендикуляра (см. рис.), опущенного из виртуальной вершины на базовую поверхность между точками его пересечения с этой поверхностью и урезанной поверхностью выступа, назовем высотой h этого выступа. Если соответствующие шероховатости равны ho/H и h/H, то (ho- h )/H есть абсолютное значение, а величина [(ho- h )/H]/( ho/H) = (1- h/ho) – относительное значение уменьшения шероховатости, или увеличения сглаженности поверхности зерна. Комбинация всех выступов, граней, поверхностей, ребер и углов создает внешний вид, очертания, контуры зерна, или его форму [2, т. 27, стр.539]. Все литологии (например, [12, стр. 219]) и специалисты (например, [3]), занимающиеся изучением переноса твердого вещества потоками (водными, воздушными и пр.), подчеркивают влияние формы зерна на особенности их транспортировки. Однако, что такое «форма зерна» и как она влияет нигде не уточняется. Морфология обломков практически не изучена. Из российских ученых в первые об этом, видимо, заговорил И.А. Преображенский (см. [11, стр. 557]), который выделил цилиндрические, уплощенно- цилиндрические, уплощенные, округлые формы. Позже этому фактору уделил внимание Ю.А. Билибин [1] на примере изучения морфологии золотин из россыпей различного типа. К.К. Гостинцев [4] приводит элементы геометрической классификации форм зерен, что по нашему мнению более правильно, выделив обобщенные формы зерен минералов: сферы (шаровидные формы), эллипсоиды, параллелепипеды, диски, чешуйки, таблички. Но на этом морфологический анализ зерен заканчивается,  более глубокий анализ форм зерен нам не известен. Так К.К. Гостинцев [4], делая обзор работ по этой теме, цитирует работы 30- 40-летней давности. 

      Указанные обстоятельства приводят к существенному искажению понятия «форма» зерна. Например, М.С. Швецов различает «следующие основные формы зерен:
 
      1).Резко остроугольные зерна с режущими краями …
      2).Угловатые зерна …
 
      3).Полуокатанные зерна …
 
      4).Окатанные зерна …» [12, стр. 163- 164] и т.д.,
и это при том, что он иногда дает и другое соотношение между формой и окатанностью (например, «… в форме и окатанности галек…» [12, стр. 213]).
      Близкое или тождественное понимание формы зерен существует и у других геологов (например, [11, стр. 557]). Это означает, что между «формой зерна» (признак качества) и «степенью окатанности» (признак количества) ставится знак тождества; это отождествление сохраняется и до наших дней. В то же время Ю.А. Билибин [1] различает эти понятия. В позиции М.С. Швецова мы, таким образом, видим непоследовательность. Л.Б. Рухин [11, стр.557 ] также отождествляет форму обломков со степенью их окатанности.

       Как продолжение этой практики оценки формы зерен - использование коэффициентов округлости и сферичности. По Л.Б. Рухину коэффициент округлости – это «степень сглаженности углов». Он характеризует степень близости формы сечения зерна к форме круга, т.е. степень близости к некоторой базовой поверхности. Степень сферичности - степень близости этого зерна сфере, также базовой поверхности, но практически происходит оценка степени близости сечения зерна к сечению шара некоторой поверхностью. Следовательно, оба коэффициента, во- первых, характеризуют одну и ту же сущность, поэтому дублируют друг друга; во- вторых, отражают наиболее глубокие ступени сглаженности зерна. Наиболее существенный недостаток подобных манипуляций - полное отсутствие ясности о том, как практически использовать их при оценке транспортных свойств зерен для решении обратных задач литологии. 
      
Обобщая, можно выделить два морфологических класса зерен:
       П(ростой). Класс простых форм.
       С(ложный). Класс со сложными морфологическими разностями зерен.
       П. В классе простых форм выделяются типы:
      П1. Эллипсоидальные формы с крайним видом- сферическим (или шаровым). Соотношения осей разнообразны вплоть до уплощенных форм, называемых чешуйками, дисками, пылинками, зернами, а также кристаллы (по [1]). Это - тип симметричных зерен по всем осям, т.е. зерна обладают осями симметрии. В них центр масс совпадает с геометрическим центром зерна (с центром симметрии).
       П2. Призмоидальные зерна (призмоиды). На практике часто форма зерен апроксимируется прямой призмой типа параллелепипеда. При А= В= С паралеллепипед переходит в куб. Этот тип объединяет различные кристаллы (по [1]), таблички, чешуйки, проволочки, палочки, нитевидные формы, пластинки и т.д. К этим типам близко подходят цилиндрические зерна.
В зернах этих типов оси А, В и С имеют надежную морфологическую привязку, что позволяет успешно использовать их при анализе поведения зерен в потоках. Как правило, их объем
удовлетворительно определяется по формуле V= kABC, где k- коэффициент формы.
        П3. Пирамидальные (тетраэдральные) формы, видимо, достаточно редко выделяемые; они принадлежат чаще всего осколкам минералов, меньше -пород. К этому типу, в частности, можно отнести: 

       - трапецеидальные формы обломков кварца, которые часто представлены клиновидными (иногда изогнутыми до серповидных) разностями. Детальнее форма клиньев определяется соотношениями между длинами его лезвия lлз и обуха lоб: нормальный клин- lлз  lоб; edge- клин- lлз > lоб и butt- клин- lлз < lоб; а также прямой клин- поверхность обуха параллельна лезвию (острию) клина, и косой клин – эта параллельность отсутствует. При lлз= 0 клин переходит в
пирамиду. Существуют и другие разновидности клина.
       -собственно тетраэдральные формы. Форма наименее определимая. Объем понятия не совсем ясен. Два тетраэдра с общим основанием (биформы) могут быть отнесены к типу призмоидов. Для этих форм морфологическая привязка
осей А, В и С затруднена. 
       С. Класс сложных форм. Он является наиболее распространенным. В этом классе выделяются основные типы:
       С1. Тип сложных призмоидов. Эти формы образуются при линейном соединении (транспонирования) призмоидов или эллипсоидов. Параметры А, В и С близки истинным, позволяя делать грубую оценку объема зерна и других гидродинамических параметров. Формы типичны для россыпного золота (проволочки, ленточки и пр.). 
       С2. Тип ассиметричных эллипсоидов с гладкой или близкой таковой поверхностями. В сечении имеют форму неправильных четырехугольников. В этих зернах центр тяжести сдвинут в сторону от геометрического центра частицы, что имеет большое значение при ее переносе. Форма достаточно трудна для изучения, поскольку весьма трудно без прямых наблюдений определить ее объем. В процессе переноса эти формы подвержены действию более сложных систем сил.
      С3. Тип (сегментированных) зерен, образованных при раскалывании зерен эллипсоидальной и меньше призмоидной и других форм.
      С4. Тип зерен иной формы. Это наиболее распространенный тип. Обладает расчлененной поверхности за счет различных «наростов» (выступов). Последние формы часто можно назвать звездоподобными (звездоидными). Выступы увеличивают кажущиеся размеры зерен с не адекватным увеличением массы тела, а значит и его плотности (кажущаяся плотность), которая обычно меньше стандартной. 
      С5. В зернах золота, имеющего высокую пластичность, бывают
формы с отрицательными выступами (вогнутые), вплоть до образования внутренних пустот закрытого или открытого вида. Подобные формы напоминают формы облекания, поэтому этот тип условно можно назвать типом «облекания». Эти формы трудны для морфометрического и гидродинамического анализов. Подобные формы иногда встречаются и среди частиц, выполненных силикатным веществом, в частности, кремни с раковистым изломом. К ним также можно отнести пустоты вдавливания, образованные в результате растворения вещества одного зерна (гальки) при вдавливания в нее другой гальки (М.С. Швецов, Л.Б. Рухин и др.). По Ю.А. Билибину в процессе перемещения частицы потоком за счет ударных воздействий на частицу эти формы могут переходить в формы более простого типа (это правило можно назвать законом Билибина).
В зернах типа С4 и С5 вес вещества и кажущийся объем частицы значительно меньше, чем в частице с монолитным заполнением пространства частицы при близких линейных размерах. Эти зерна, с одной стороны, обладают повышенными коэффициентами сопротивления движению зерна в потоке, с другой - в связи с большей легкостью они лучше переносятся потоками. Эти свойства, возможно, дополняют друг друга.

      Подытоживая анализ свойств обломков и окатышей, можно утверждать существенное различие между этими объектами. Если под «обломочными породами» понимать породы, сложенные обломками материнских пород и минералов, то окатыши, не являясь по своей сущности обломками в своем прямом значении, не могут входить в группу «обломочных пород». Они составляют самостоятельную, весьма распространенную группу осадочных образований, которую можно назвать конгломероидами, сложенными полностью или преимущественно окатышами различных размеров (конгломераты, галечники, гравеллиты, песчаники и пр., а также их не сцементированные аналоги). В свою очередь по М.С. Швецову эти группы пород образуют класс механогенных пород.     
       Обломки зерен, которые в литературе также называют «брекчиями», и окатыши- крайние представители механогенных пород. Между ними существуют многочисленные переходные разности, выделяемые по степени их сглаженности. Главным в этих переходных зернах является изменение первоначальной формы зерна в результате взаимодействия зерен друг с другом в процессе перемещения их в водных или воздушных потоках. Следовательно, в этих условиях осуществляется самостоятельный процесс изменения формы зерна под действием физико-механических процессов раскалывания и истирания зерен. Существует термин, отражающий изменение под действием внешних воздействий изначальной сущности изменяемого предмета- это метаморфизм. Кроме того соблюдается и этимологическое соответствие между понятием «метаморфизм» и самим процессом (с греческого «мета»- после, превращение, морфо- форма [2, т.16, стр.111]). В процессе перемещения в потоках происходит метаморфизм этих зерен, который, учитывая его природу, можно назвать физическим, динамическим или механогенным. Таким образом, конгломероиды являются метаморфическими породами, образование которых осуществляется при низких температуре и объемном давлении, но при высоких значениях одностороннего давления, обычно ударного типа. Существующие классификации отражают степень метаморфизма «обломочных пород».
        Можно выделить основные стадии механогенного метаморфизма:
        1.«совершенно не окатанные, остроугольные зерна пород (щебень, хрящ, дресва, каменная крошка, зерна- осколки)»;
        2.зерно окатано так, что еще можно установить ее изначальную форму;
эта стадия позволяет проводить дробную классификацию на основе уже существующих представлений об обломочных породах.
        3. «вполне окатанные зерна с одинаково сглаженной поверхностью обтекаемой формы». Начальная форма уже не определима. Конечная форма описывается уравнениями второго порядка:
        3а. форма приближается к трехосному эллипсоиду;
        3б. форма приближается к эллипсоиду вращения;
        3б. форма приближается к шару.

 ЛИТЕРАТУРА.

1.Билибин Ю.А. Основы геологии россыпей. М.: изд. АН СССР, 1956.
2.Большая Советская Энциклопедия. М.: «Советская энциклопедия», 1971- 1978.
3. Великанов М.А. Динамика русловых процессов. М.: Гостехтеориздат, 1955. Т.1.
4. Гостинцев К.К. Метод и значение гидродинамической классификации песчано-алевритовых пород при поисках литологических ловушек нефти и газа. /Методика прогнозирования литологических и стратиграфических залежей нефти и газа. Л.: изд. ВНИГРИ, 1981. С. 51-62.
5. Геологический словарь, М.: Госгеолиздат, 1960.
6. Кондаков Н.И. Логический словарь. М.: Наука, 1971. 656 с.
7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978.
8. Макаров В.П. Некоторые подходы к созданию классификаций геологических образований. 2. Классификационные признаки. V Уральское литологическое совещание «Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагенез». Тезисы докладов. - Екатеринбург, изд. УрИГГ им. А.Н. Заварицкого УрО РАН, 2002. С. 122- 124.
9. Макаров В.П. Некоторые проблемы геологии. 3. Элементы теории структур. /VI Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». М., апрель, 2003 г. Тезисы докладов. М.: МГГРУ, 2003. Т.1. С. 240.
10. Макаров В.П. Некоторые проблемы геологии. Структура и текстура. /VI Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». М., апрель, 2003 г. Избранные доклады. М.: МГГРУ, 2004. С. 73- 83.
11. Рухин Л.Б.. Основы литологии. Л.: Госгеолиздат, 1961.
12. Швецов М.С. Петрография осадочных пород. М.: Госгеолиздат, 1948.
 

 

 

Примечание:

Источник- Макаров В.П.ВОПРОСЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ. 4. К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОНЯТИЯ «ОБЛО-МОЧНЫЕ ПОРОДЫ».//Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2007». 1-15 окт. 2007. Одесса: Черноморье, 2007, Т.16. С. 20 -27.