Некоторые проблемы литологии. Элементы теории текстур | Lithology.Ru - Литология.РФ :

Некоторые проблемы литологии. Элементы теории текстур

 В.П. Макаров

Российский  государственный геологоразведочный университет, Москва

НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ  ЛИТОЛОГИИ.

Элементы теории текстур .

 Общие определения.

Ранее [4] проведен анализ  понятий «структура» и «текстура» пород– фундаментальных понятий геологии. Ниже приведены результаты исследования понятия «текстура». Показано, что текстура определяет способ заполнения пространства элементами структуры. Естественно, что расположение элементов структуры в пространстве во многом определяется условиями образования пород. Тем не менее, все текстуры имеют общие свойства, которые позволяют рассматривать текстуры независимо от условий образования пород.

Для анализа введем понятия, заимствованные из теории множеств.

Множество М является пересечением множеств А и Б и обозначается через АБ, если элемент m множества М одновременно принадлежит и множеству А, и множеству Б. Если M есть объединение большего количества множеств Mi, т.е. M= M1 M2 Mi, то пишут M= (Mi).

Применительно к геологическим объектам, являющимися величинами размерными, это определение преобразуется в определение: множество М элементов m со свойствами а и b, является пересечением множеств А с элементами, обладающими свойствами а, и Б с элементами, обладающими свойствами b, если свойства элемента m одновременно принадлежат свойствам элемента а множества А и элемента b множества Б.

Множество N является объединением множеств А и Б и обозначается через АUБ, если  элемент  n множества N принадлежит либо множеству А, либо множеству Б. Если N есть объединение большего количества множеств Ni, т.е. N= N1 U N2 UU Ni, то пишут N= U(Ni).

Множества M и N являются связными, если элемент m  множества M  и элемент n множества N можно соединить линией произвольной формы, обладающей свойствами:

а) все точки этой линии принадлежат множествам  M и  N;

б) на этой линии нет ни одной точки, не принадлежащей множествам  M и N

Применительно к геологическим объектам это определение преобразуем следующим образом. Во множестве {З} зёрен произвольно выберем зёрна З1 и З2. Пусть  З1 находится левее З2. Соединим З1 и З2 прямой линией Lх и проведем через З1 и З2 прямые линии L1 и L2,  перпендикулярные Lх. В результате получился коридор, включающий какое- то количество зёрен. Соединим З1 и З2 линией L произвольной формы так, чтобы L не выходила за пределы коридора. Тогда все зёрна, пересекаемые линией L, будем называть промежуточными. Множество  промежуточных зёрен находится в пределах указанного коридора. Тогда множество {З} является связным, если обладает оно свойствами:

1. все точки L принадлежат этой  совокупности зёрен;

2.на линии L нет ни одной точки, лежащей вне этой совокупности  зёрен.

Зерно – это элементарный объект  горной породы [3]. Связная совокупность зёрен, т.е. UЗi  называется образцом ОБ. В дальнейшем изложении образец будет главным объектом исследования;  его свойства –  это  локальные характеристики геологической среды (пространства). Каждое зерно Зi  в образце занимает положение, характеризуемое локальными координатами xi, yi, zi; размеры зёрен измеряются по осям X, Y, Z Δxi, Δyi, Δzi  (на практике обозначаемые  как A, B, C). Принято, что A ≥ BC. Ось Х назовём  главной. Плоскость П, проходящую через оси А и В, будем называть также главной. Размеры П определяются размерами образца. Ось СП. Пусть в зёрнах З1 и З2  A> A2 и  расстояние между центрами тяжести l; зёрна З1 и З2 –  соседние, если l ≤  А1.

Следствия. 1). Два соседних зерна имеют общую точку, т.е. контактируют минимум в одной точке. 2). Поскольку линия имеет произвольную форму, то ее можно провести практически через все точки множества {З} в пределах коридора. Поэтому в связном множестве {З} все зёрна попарно контактируют друг с другом, и нет ни одного зерна, не имеющего контакт с соседним зерном. Такое множество {З} можно назвать компактным. 3). Образец –  это компактное множество зёрен.

 Определения основных типов текстур.

Зёрна  отличаются по вещественному составу (М), форме (F) и размерам (D –  от Dimension –  размерность), т.е. З = FDМ. Кроме того, зёрна в образце находятся в некоторых отношениях R друг к другу, т.е. ЗiRЗj (Rratio= отношение).  Таким образом, образец ОБ – это компактное множество зёрен со свойствами: 

ЗiUЗj U(FkDkМk);                                                                    (1)

ЗiRЗjUiRЗj).                                                                             (2)

В (1) и  (2) левая часть характеризует элементарные соотношения между зёрнами (т.е. отношения между двумя зёрнами), правая часть –  весь образец. Преобразовав (2), получаем выражение UiRЗj) = (UЗi)R(UЗj). Запись (UЗi) (или (UЗj)) означает объединение зёрен по одному или нескольким признакам, отличным от признаков  зёрен  в другом объединении. Если в образце часть зёрен с этими признаками образуют связную совокупность, то эту совокупность назовем агрегатом (АГ) зёрен. Понятно, что АГ ОБ ( - оператор принадлежности, или включения).

Согласно  [3, 4] текстура TR – это множество {s} (s- структурные элементы), характеризуемое способом расположения s в пространстве образца. Если структурный элемент -  это зерно образца, то пространственная часть образца имеет вид U(FkDk). Таким образом, текстура (TR) – это множество зёрен образца, обладающих свойствами:

1)  U(FkDk);                                                                                  (3)

2)  UiRЗj).                                                                                    (4)    

Подставив (3) в (4) и преобразовав результат, получаем

UiRЗj) = U((FiDi)R(FjDj)) = U((FiRFj)(DiRDj)).                      (5)

Множества Fk, Dk и R образуют множество элементов текстуры. Смысл (5) зависит от сущности параметра R. Для его анализа рассмотрим элементарные отношения между зёрнами.

I. R– отношение порядка в распределении размерных параметров, т.е. R= f(D), тогда (FiRFj)= 0, но (DiRDj) 0. В  этом случае (DiRDj) характеризует структуру SR образца, рассмотренную в [4].

II. Если R ≠ f(D), т.е. не отражает размерные параметры, то (DiRDj) = 0, но (FiRFj) 0. В этом случае (FiRFj) характеризует отношения между формами зёрен. Ранее [4, 5] нами рассмотрены формы зёрен механогенных осадочных пород (но не их отношения). В целом формы зёрен изучены слабо.

III. Между соседними зёрнами З1 и З2 в образце возникает отношение, которое называется «ориентировкой зёрен друг относительно друга», и к зёрнам применимы представления о скрещивающихся прямых. К последним отнесены прямые линии, проходящие через главные оси зёрен. Ориентировкой зерна З1 относительно зерна З2 называется такое расположение зёрен в пространстве, при котором проекции главных осей на некоторую (часто главную) плоскость образуют прямые линии, пересекающиеся под углом α. Обычно 0 ≤α ≤ 90о. Однако не ясно, может ли α > 90о.

 Следовательно, в выражении (5) R– это ориентировка (OR) зёрен в пространстве друг относительно друга. Запись З1ORЗ2 означает, что зёрна З1 и З2 ориентированы в пространстве друг относительно друга. Далее  имеем:

 А. Главные плоскости П1 и П2 параллельны друг другу, т.е. П1||П2. Они обычны  в слоистых и сланцеватых породах, существенно удаленных от зон выклинивания. Тогда в зёрнах З1 и Зс главными осями соответственно Х1 и Х2 возможны варианты:

 Аа. Х1||Х2– проекции осей на одну из плоскостей параллельны друг другу, т.е. α= 0; здесь можно говорить о строгой параллельности, поскольку параллельны не только проекции, но и сами прямые. В этом случае через главные оси зёрен можно провести общую плоскость.

 Аб. Х1 Х2 – проекции осей на одну из плоскостей перпендикулярны друг другу;

 Ав. Х× Х2 – проекции осей на одну из плоскостей находятся в общем положении и не соответствуют указанным выше случаям; т.е. 0 < α< 90о.

 Б. Плоскости П1 и Пне параллельны друг другу и находятся в общем положении (обозначаются как П1× П2). Эти плоскости пересекаются по линии Л12. Это характерно для областей, близких к зонам выклинивания.

 Ба. Х1||Х2главные оси строго параллельны друг другу; тогда  Х1||Х2||Л12;

 Бб. Х1|Х2главные оси не строго параллельны друг другу: если через эти прямые можно провести плоскость, то в этой плоскости прямые не параллельны.

 Бб1. Проекции Х1 и Х2 на одну из плоскостей перпендикулярны линии Л12;

 Бб2. Проекции Х1 и Х2 на одну из плоскостей располагаются под углом к Л12.

 Бв. Х1 × Х2 – главные оси находятся в общем положении.

Зёрна в компактном множестве {З} разместим так, чтобы главные плоскости этих зёрен совпадали. Тогда можно провести плоскости, касательные к поверхностям зёрен как снизу, так и сверху. Если эти плоскости касательны к поверхностям одних и тех же зерен, то зёрна слагают слой B (от B- bed = слой, пласт).  Кратчайшее расстояние между плоскостями – мощность (иногда толщина) слоя.  Поверхность, расположенная ниже главной плоскости, обычно называется подошвой (далее ПД); а поверхность, расположенная выше главной плоскости, – кровлей слоя (КР).  Если  между этими плоскостями располагается по одному зерну, то слой можно назвать монослоем.

Следствия: 

1. В монослое расстояние между этими плоскостями не более размера зерна по оси С.

2. Мощность монослоя зависит от размеров З.

Нормальное положение монослоя – горизонтальное. Горизонтальные  размеры монослоя определяются размерами образца.

При наличии монослоев В1 с параметрами (ПД1, КР1) и В2  (ПД2, КР2) возникает простейшее отношение В1RВ2, которое  называется «наслоением (или напластованием) слоев». Напластованием монослоев  В1 и В2 называется такое расположение монослоя Вотносительно  монослоя В1, при котором все точки кровли монослоя В1 принадлежат подошве монослоя В2, а все точки подошвы монослоя В2 принадлежат кровле монослоя В1При  этом  в кровле В1 нет ни одной точки, которая не принадлежит подошве В2, а в подошве В2 нет ни одной точки, которая не принадлежит кровле В1. Это означает, что между точками кровли В1 и точками подошвы Вустановлено взаимнооднозначное соответствие, т.е. они изоморфны и КР1 = ПД2. Понятно, что КР2 ≠ ПД1. Этот  изоморфизм будем называть граничным, а кровлю В1 = подошву В2 границей (ГР), разделяющей  монослои  В1 и В2. Такие монослои будем называть соседними, а границу - сплошной. Границы могут быть реально существующими (ГР)  и условными (мнимыми, виртуальными) (ГМ). Поскольку наличие границ – это форма отношений между слоями, то в случае наличия реальных границ будем писать В1ГРВ2. При наличии мнимых границ будем писать В1ГМВ2. Далее рассматриваются только В1ГРВ2.

Каждый монослой характеризуется параметрами: вещество (М- материал), D, SR, OR. Поскольку  (D, SR, OR)TR, то монослои характеризуются параметрами М и TR. Далее эти параметры будем записывать в виде биекции (М, TR). Равенство TR1 = TR означает, что D1 = D2, SR1 = SR2, OR1 = OR2. Если в соседних монослоях (М1,TR1) и (М2,TR2) TR1 = TR2  и М1 = М2, то такие монослои будем называть тождественными (или эквивалентными). В таком случае граница между монослоями отсутствует (т.е.  ГР = 0). Если этими свойствами обладают все последовательно наслаиваемые друг на друга монослои, то между ними границы отсутствуют. В этом случае совокупность этих монослоев образует слой,  а порода приобретает монолитную текстуру. Это тип компактных монолитных текстур. Если  же хотя бы один из компонентов  свойств (М1,TR1) не совпадает с соответствующим  компонентом  свойств (М2,TR2), то граница сохраняется (или ГР = 1). Любую точку на границе будем называть граничной (или сопряженной). Если в образце присутствуют несколько монослоёв (слоёв), каждый из которых отличается хотя бы одним элементом текстуры от соседнего монослоя (или слоя), то имеет место слоистая текстура. Это тип компактных слоистых текстур. Эти типы  исчерпывают все многообразие текстур.

Текстуры монолитные и слоистые не  являются одноуровневыми (однопорядковыми) понятиями. Между монолитными текстурами и слоистыми текстурами существует принципиальное различие. В  первом случае выявляются  отношения между зёрнами породы. При  этом устанавливаются признаки, определяющие текстуру самой породы: отношения между размерными параметрами (структура), отношения между формами зерен, ориентировка зерен. Тип монолитных текстур является единственным представителем текстур в породе.

В случае слоистой текстуры появляется новый вид отношения: отношение между слоями (слойками) как отношение между геологическими телами. Кроме вышеназванных признаков, определяющих текстуру породы, выполняющей слой, здесь появляются новые признаки, характеризующие отношения слоёв как геологических тел  друг относительно друга: средних ориентировок зёрен одного слоя относительно ориентировок зёрен другого слоя, отношение между самими слоями; отношение между размерными параметрами одного слоя относительно размерных параметров другого слоя и т.д. Таким образом, слоистая текстура отражает более высокий уровень организации геологического материала. В породе слоистых текстур нет.

В практике геологических исследований часто фигурирует такое понятие, как «слоистая порода» (слоистый песчаник, слоистый алевролит и пр.). Под  слоистой породой понимают породу, обладающую слоистой текстурой. В связи с изложенными  выше соображениями это понятие необходимо признать не корректным.

По определению порода с монолитной текстурой сложена зернами без признаков их пространственного разделения. В «слоистой породе» ситуация совершенно иная. Здесь слоистость обусловлена наличием слоёв (слойков), т.е. самостоятельных геологических тел, заполненных породами; в каждом слое порода имеет монолитную текстуру. Следовательно, образец с выявленной слоистой текстурой  сложен  набором  пород,  а к набору пород термин «порода» как единичный признак вообще не применим.

Это вызывает определенные трудности в проведении анализа слоистых текстур, поскольку эта подмена используется на практике; на него опирается классификация форм слоистости.

Таким образом, текстура является понятием более высокого уровня обобщения, чем структура, поскольку в основу выделения текстур положены не только структурные признаки, но и форма зёрен, и их состав.

 Классификация текстур.

I. Тип  компактных монолитных текстур.

Выделяются подтипы текстур:

А. Подтип текстур  изотропных (массивных). Параметры  структурных элементов не изменяются  вдоль (эталонных) линий, проходящих через образец в любом  направлении. Во всех случаях зёрна располагаются статистически хаотично, беспорядочно в породе с равно- или разнозернистой массой.  Это – класс компактных монолитных массивных текстур. Сюда относятся текстуры беспорядочная, плотная, неориентированная, однородная [8] и др.

Б. Подтип текстур  анизотропных. Свойства породы изменяются с изменением  ориентировки эталонных линий. Выделяются классы текстуры:

Ба. Класс компактных монолитных ориентированных текстур, обусловленных  особенностями строения основной массы породы. В частности сюда относятся текстуры с согласно ориентированными друг относительно друга зёрнами;  иногда их называют гломерокристаллическими, ориентированными, сланцевыми текстурами [8]   и пр. 

Бб. Класс компактных монолитных ориентированных линейных текстур, обусловленных  особенностями расположения единичных структурных элементов при хаотичном расположении зерен вмещающей их массы; сюда относятся породы различных порфировых и порфировидных структур, в которых порфировые (порфировидные) зерна, миндалины и пр.   представляют собой эти единичные структурные элементы. В этом классе выделяются подклассы:

Бба. Ориентированные зерна не образуют единого сообщества и разбросаны по образцу бессистемно. По Н.А. Елисееву [2] это параллельно-линейные текстуры.

Ббб. Ориентированные зерна (обычно пластинчатые кристаллы) образуют единое сообщество, проявляемое в виде плоско-параллельного «слоя», создавая видимость слоистой текстуры (рис.1). По [2] это плоско-параллельные (ложно слоистые) текстуры.

Рис.1.Полимиктовый песчаник. Текстура ориентированная, обусловленная субпараллельным расположением обломков, Нижняя -средняя юра. Вост .Забайкалье, бас. р.Борзи, верховья р. Арбы. Из коллекции Ю.П.Деньгина. Геол. музей ВСЕГЕ. Зарисовка Л.Ф. Друговой [1, таьб.188,фиг.2].

Бв. Текстуры, обусловленные  особенностями расположения структурных агрегатов, например, шлиров, обломков пород и пр. Это подкласс компактных агрегативных текстур (текстуры такситовые,  атакситовая [8] и пр.) (рис.1). Этот подкласс текстур специально не выделяется. Если же агрегат  рассматривать как обобщенное зерно, то здесь также выделяются текстуры, определяемые расположением единичных структурных элементов. Поэтому можно выделить:

Бва. компактные агрегативные массивные текстуры;

Бвб. компактные агрегативные параллельно-линейные текстуры;

Бвв. компактные агрегативные плоско-параллельные текстуры.

II. Тип  слоистых текстур.

Слоистая текстура характеризует не отдельную породу, а целый комплекс пород  в пределах образца. Поэтому взаимоотношения слоёв определяют выделение различных подтипов слоистых текстур. Границы частных слоёв, неоднородностей слоёв и сами частные слои будем также называть элементами текстуры. За основу анализа взята пара соседних слоёв, имеющих четко выраженные элементы текстуры. Виды текстур, устанавливаемые на основе анализа этой пары, будем называть элементарными. Здесь уже на сцену выступает форма элементов текстур. Независимо от вида этой формы, их всех объединяет наличие некоторого радиуса Rкр кривизны, на основе которого выделяются крайние подтипы элементарных слоистых текстур: если Rкр = , то имеет место подтип ламинарных слоистых текстур. Если Rкр << - то подтип турбулентных (вихревых) слоистых текстур.

1.Подтип ламинарных слоистых текстур. Элементы внутреннего строения располагаются субпараллельно границам слоёв, напоминая ламинарное течение жидкости. Выделяются классы ламинарных слоистых  текстур.

А. Класс простых ламинарных слоистых текстур. Устанавливаются при анализе внутреннего строения одного слоя. Сюда относятся текстуры слоистая, ленточная, плойчатая, полосчатая, сланцеватая, гнейсовидная, параллельная [8] и др. текстуры.

Аа. Подкласс: элементы текстур  практически параллельны друг другу (рис.2).

Рис.2. Горизонтальная микротектоническая текстура (Армения, средний миоцен [1]).

Аб. Подкласс: элементы текстур не строго параллельны друг другу, но они изменяются симбатно друг относительно друга, нигде не пересекаясь (рис.3).

 

Рис.3. Линзовидно-волнистая слоистость в песчаниках, чередующихся с алевролитами. Нижняя пермь, низы балахонской свиты. Кузнецкий  каменноугольный бассейн, правый берег р. Тома у дер.Старой балахонки. По материалам П.Ф. Ли [1, таб.104, фиг. 3].

Ав. Слои располагаются косо относительно границы слоя. Такую текстуру часто относят  к разновидностям косой слоистой текстуры (косой слоистости) (рис.4).

Рис.4. Деталь строения двух косослоистых серий [1].

Б. Класс сложных ламинарных слоистых текстур. Устанавливается при анализе отношений  минимум  двух соседних слоёв. Элементы текстуры  одного слоя (скажем слоя А) располагаются произвольно относительно границы или элементов текстуры соседнего слоя Б. Возможно выделение подклассов:

Ба. Согласных ламинарных слоистых текстур – ориентировки элементов текстур обоих слоёв совпадают. Возможно совпадение и мощностей элементов текстур. Но, по крайней мере, в одной граничной точке характеристики (М, SR и пр.) слоёв различны (рис.5). Л.Н.Ботвинкина выделяет пары слоёв  резкими и нерезкими границами между слойками [1].

Рис.5.Косая слоистость в известняковом песчанике [1]

Бб. Контрастных ламинарных слоистых текстур – ориентировки элементов текстур обоих слоёв существенно различны. Возможны разновидности текстур:

Бба. Слой А обладает простой ламинарной слоистой текстурой, слой  Б – косой слоистой текстурой (рис.6).

Рис.6. Контрастная ламинарная слоистая текстура [1].

Ббб. Оба слоя обладают косой слоистой текстурой, но элементы текстуры слоя  А  располагается косо к элементам текстуры слоя Б (рис.7).

Рис.7 Примеры видов косой слоистоси [1].

Ряд исследователей  (С.Л.Ботвинкина [7] выделяют виды косой слоистости:

а). Слои падают в противоположные стороны (рис.7);

б). Слои падают в одну сторону (рис.10).

Кроме того выделяют слойки, имеющие волнистый облик [8]. 

2. Подтип турбулентных (вихревых) слоистых текстур. Такие  текстуры обычно называются (собственно) косой слоистостью. Одним из свойств (кроме Rкр) элементов текстур этого подтипа является ограниченность длин слойков в сечении  образца. По характеру поведения Rкр можно выделить текстуры:

А. Rкр = const. Слой образует  эллипсовидное кольцо постоянной формы (рис.8). На рис.9 представлена идеализированная схема косой слоистости. Так как мы имеем дело со слоистыми явлениями, то образуется сферическое образование (эллипс, шар и пр.), заполненное слоистым веществом. Сама сфера может быть срезана другими сферическими образованиями.  Строго анализа этого вида текстур не существует.

Рис.8. Косая слоистось в ожелезнённом песчанике. Кнаб, Юта, США. Минералого-петрографический музей им. Л.В. Пустовалова (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкна). Фото А.Евсеев. http://geo.web.ru/I-US-Uta.htm

Рис.9. Идеализированная схема косой слоистости [9].

Б. Rкр const. Радиус кривизны изменяется не только по длине элемента текстуры, но и от слойка к слойку (рис.10).

Рис.10. Виды косой слоистости c Rкр const.

Литература.

1.Дмитриева Е.В., Ершова Г.И., Орешникова Е.И. Атлас структур и текстур осадочных горных пород. Т.1. М.: Госгеолтехиздат,1962.578 с.

2. Елисеев Н.А.. Структурная петрология. Л.: изд-во ЛГУ, 1953.

3. Макаров В.П. Некоторые подходы к созданию классификации геологических образований./V Уральск. литологическое совещание «Терригенные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто-  и литогенез, минерагения». Тез. докл. Екатеринбург: изд. ИГГ УрО РАН, 2002, стр. 120- 124.

4.Макаров В.П. Некоторые проблемы геологии. Структура и текстура. /VI Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». Избранные доклады. М.: изд. МГГРУ, 2003, стр. 73- 83.

5.Макаров В.П. Некоторые проблемы геологии. «Обломочные породы». /VII Междуна-родная конференция  «Новые идеи в науках о Земле». Избранные доклады. М.: изд. РГГРУ, 2005, стр. 100- 107.

6. Макаров В.П. К определению понятия «обломочные породы». Материалы 4-го Всероссийского литологического совещания «ОСАДОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ: седименто-генез, литогенез, рудогенез (эволюция, типизация, диагностика, моделирование)». Москва, ГЕОС, 7- 9 ноября 2006 г. Том 1. Стр.119- 122.

7.Макаров В.П.К определению понятий "структура" и "текстура" в литологии. Элементы теории "структур".//Литология и геология горючих плезных ископаемых. екатеринбург, изд-во УГГУ, 2011. Вып. (21). C. 38-51.

8. Половинкина Ю.Ир, и др. Структуры горных пород. М.: Госгеолтехиздат. 1948. Т.1,2.

9.Рухин Л.Б., Вассевич Н.Б., Кобранов В.Н. и др. Справочное руководство по петрографии осадочных пород. Т.1. Условия образования, свойства и минералы осадочных пород. Л.: Гостоптехиздат, 1958. 496 с.

 

 

Источник:

1.Макаров В.П. Некоторые проблемы литологии. Элементы теории "текстур".//Литология и геология горючих полезных ископаемых. Вып.VI (22). Екатеринбург: изд-во УГГУ, 2012. С. 90 - 102.

2.Макаров В.П. ВОПРОСЫ  ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ  ГЕОЛОГИИ.   Элементы теории  «текстур»./Международная научно-практическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований.» Одесса: Черноморье, 2007, Т.21. С.74-81.