Полевое изучение горных пород

 

Полевое изучение и описание горных пород, слагающих геологические тела

Осадочные породы

При описании пород в полевых условиях на территории Беларуси главным образом приходится иметь дело с осадочными породами, встречаются также метаморфические и редко – магматические породы.

При полевом описании осадочных горных пород характеризуется:

–       состав породы, определяемый развернутым названием породы по структурно-вещественным признакам;

–       цвет, окраска (во влажном и сухом состоянии);

–       структура (размер и форма зерен), однородность, разнозернистость;

–       текстура (тип слоистости, причины ее возникновения, отчетливость, выдержанность в пределах изучаемого обнажения);

–       физические свойства пород (пористость, трещиноватость, крепость и т.п.);

–       наличие неорганических включений и их отношение к основной текстуре.

Состав породы определяется при изучении диагностических признаков (окрашивание, блеск на поверхности и на свежем изломе, окраска зерна, цвет черты, твердость, спайность, форма агрегата), используя лупу, фарфоровую пластину, а также опробывая кислотой на карбонатность. Для удобства диагностические признаки наиболее часто встречаемых пород приведены в таблице.

Цвет (окраска) осадочных пород может быть устойчивым или меняющимся в пределах слоя. Окраска пород определяется: цветом породообразующих минералов; цветной примесью; цветом цемента; цветом корочки, обволакивающей зерна породообразующих минералов. Задача геолога определить первичная ли окраска или она вторичная, возникшая в результате катагенеза.

Первичную окраску обычно имеют водонепроницаемые породы, состоящие из породообразующих минералов. Первичная окраска определяется по свежему излому породы, хотя нередко хорошо видна и на поверхности породы.

Вторичную окраску имеют пористо-проницаемые и трещиноватые породы. Вторичная окраска зачастую несвойственна породообразующим минералам. Она может быть ржавой за счет разложения железосодержащих минералов, черной за счет образования пленки окислов марганца. Красная и розовая окраска пород обычно связана с присутствием в ней окислов железа. Зеленый цвет обусловлен присутствием закисных форм железа (например, в глауконите).

При описании цвета пород вначале указывается оттенок, а затем основной цвет, например, зеленовато-серый. Для точного определения цвета и самой породы разработана таблица цветов пород, где приведены цветные эталоны. Определение пород по яркости и цвету наиболее точно можно выполнить в лабораторных условиях на специальных приборах – фотометрах и спектрофотометрах, которые позволяют установить спектральную яркость и количественную характеристику цвета.

Структура осадочных пород определяется по размеру и форме пластов одновозрастных пород, а также зерен обломочных пород. Осадочные породы могут быть однородными или разнозернистыми.

Текстура проявляется как сингенетичная (текстура, образованная одновременно с накоплением осадка) или эпигенетичная (текстура, образованная после затвердения осадка). В осадочных породах сингенетичная текстура представлена, в основном, в виде слоистости, которая может быть связана со сменой вещественного состава контактирующих пород, сменой их структуры, появлением или исчезновением следов жизнедеятельности ископаемых органических остатков, присутствием неорганических включений, вторичными химическими изменениями исходного осадка. При полевом изучении осадочных пород необходимо внимательно осматривать поверхности наслоения, на которых могут обнаруживаться различные по происхождению фигуры (рябь, бороздки течения, отпечатки кристаллов и т.п.), трещины усыхания, и другие формы, образовавшиеся до отвердения осадка. Эпигенетичная текстура обычно проявляется в осадочных породах в виде стилолитовых швов. По текстурным признакам выделяются обломочные породы, которые состоят из кусочков других, ранее существовавших пород.

Физические свойства осадочных пород – пористость, трещиноватость, крепость и т.п. в полевых условиях описываются качественно (например, доломит кавернозно-пористый) и количественно со значительной долей приблизительности (например, известняк интенсивно трещиноватый, более 10 трещин на квадратный метр).

Наличие неорганических включений изучается относительно основной текстуры и предусматривает определение форм этих включений, их количества на единицу объема (площади), а также природу и механизм накопления неорганических включений в осадочных породах.

Основные типы пород, встречаемые в районе учебной полевой практики

Глинистые породы разделяются на глины и аргиллиты, различающиеся по степени размокания образца при погружении в воду. Кроме относительно хорошо отсортированных глинистых пород (чистых глин и аргиллитов), часто встречаются смешанные разности, содержащие примеси более крупных обломков карбонатов и других компонентов.

Глина - горная порода, имеющая в сухом виде землистый вид, образующая с водой тестообразную массу, а при большом количестве воды глинистый раствор. При намокании глины разбухают, поглощают до 40—70 % воды. При высыхании объем их сокращается. Если на глину подышать, то может появиться землистый запах. Кусочек глины прилипает к языку, что указывает на ее тонкую пористость. Увлажненный комок скатывается в пальцах в валик или жгутик, из которого можно согнуть сплошное кольцо. Комочек глины после высыхания не рассыпается в руках при сдавливании. Такая структура обусловливает низкую поровую проницаемость, что и делает глины надежными флюидоупорами. В то же время глины высокопористые.

Глины распределяются на жирные (с незначительной примесью зерен кварца, халцедона и др.) и на тощие (со значительно большей примесью минералов). Жирная глина полируется ногтем, на ее поверхности при этом остаются блестящие полоски. Свежий излом пластичных жирных глин имеет жирный или шелковистый блеск и своеобразную гофрированную поверхность.

Глины могут иметь однородный, почти мономинеральный со­став или быть полиминеральными. Название породе дается после лабораторных исследований по преобладающей группе глинистых минералов. Глинистые породы состоят из тонкодисперсных (менее 0,01 мм) частиц обломочного образования, но главными породообразователями служат глинистые минералы: гидрослюды, каолинит, монтмориллонит и другие сложные алюмосиликаты, имеющие пластинчатое или игольчатое строение и образующие частицы размером менее 0,001 мм.

Наиболее часто встречаются гидрослюдистые глины. Они могут иметь массивную, слойчатую или пятнистую текстуру. Окраска гидрослюдистых глин может быть белой, но часто они окрашены различными примесями. Окислы железа придают глине кирпично-красный, бурый, малиновый, оранжевый цвет, свойственный окислительной обстановке, в которой происходило накопление осадков. Если накопление глин происходило в восстановительной обстановке, то окраска их может быть голубого, зеленого, серого, а иногда почти черного цвета. Гидрослюдистые глины, температура плавления которых ниже 1350°С, идут на приготовление обычного кирпича, цемента. Среди этих глин встречаются разности с повышенной жаростойкостью, используемые для производства канализационных труб, метлахской плитки и кислотоупорных изделий.

Каолинитовые глины дают хорошее “тесто”, их температура плавления около 1700°С, они используются для приготовления огнеупоров (кирпич и др). Наибольшую ценность имеют естественно отмученные, переотложенные жирные глины. Тощие разности каолинитовых глин хорошего “теста” не дают, оно плохо формуется.

Цвет каолинитовых глин может быть от белого до черного (у обогащенных углистым веществом). Причиной темной окраски могут быть и другие примеси.

Монтмориллонитовые глины, образующиеся в результате гельмиролиза (подводного разложения вулканических пеплов и туфов), встречаются реже, чем другие разности глин, еще реже встречаются их мономинеральные скопления. Обычной примесью к монтмориллониту служат другие глинистые минералы и обломочные частицы разного размера. Окраска монтмориллонитовых глин белая, зеленовато-серая, кремовая, светло-серая. Для них характерен жирный блеск, во влажном состоянии они создают ощущение жирности, мылкости. Легко разбухают в воде, значительно увеличивая при этом свой объем, на поверхности образуют густую вязкую массу, похожую на скользкий студень. После высыхания студень превращается в трещиноватую корку, что указывает на отсутствие пластичности у монтмориллонитов.

Одна из разновидностей монтмориллонитовых глин - бентонит широко используется для приготовления бурового раствора.

При визуальном изучении промышленные качества глин предварительно определяются по следующим признакам: красные или бурые глины не могут быть огнеупорными, но пригодны для изготовления обычного кирпича; белые или серые глины, а также темно-серые и черные глины могут оказаться огнеупорными; глины, кусочки которых размокли в воде и при этом сильно разбухают, - хорошие поглотители.

Аргиллиты - камнеподобная глинистая порода со значительным содержанием кремнезема, сильно уплотненная в процессе катагенеза. Они более твердые, чем глины (их иногда называют окаменевшими глинами), в воде не размокают, излом неровный, цвет различный. Аргиллиты не могут иметь монтмориллонитовый состав, так как эти минералы под горным давлением и при повышении температуры переходят в другие глинистые минералы.

Кроме пластичных разновидностей каолинитов встречаются и плохо размокающие в воде сухарные глины. Из них получается плохое “тесто”. В их составе, в отличие от пластичных глин, содержатся свободные окислы алюминия, чем они существенно отличаются от аргиллитов, к которым их иногда относят.

При описании глинистых пород надо дополнительно отмечать отношение к воде, пластичность, жирность, сухость глин.

Карбонаты - соли угольной кислоты Н₂СОз. Основными породообразующими минералами являются кальцит и доломит, слагающие широко распространенные, в том числе и в районе практики, карбонатные породы. Цвет карбонатной породы различен — от белого до красного и черного. Внешние признаки карбонатных пород: при отбивании молотком куска породы образуется много “муки”, часть которой “пудрит”молоток; ногтем не царапается, нож оставляет заметную царапину.

Основным признаком, отличающим карбонатные породы от обломочных, не имеющих карбонатного цемента, и от бескарбонатных глин, служит их реакция с 10°-ной соляной кислотой. Известняки, сложенные кальцитом, “вскипают”от капельки кислоты при всех условиях, доломиты взаимодействуют с кислотой или в порошке, или при подогреве.

Кальцит и доломит различаются реакциями окрашивания, их несколько, приведем две.

Реакция Малера. Кусочек породы помещают в пробирку с раствором медного купороса, кипятят 3—5 мин. Раствор сливают, остаток промывают водой. Известняк (кальцит) приобретает голубовато-зеленоватый цвет. Доломит не реагирует.

Реакция Киндена. Образец измельчают в порошок, помещают в пробирку и заливают 10 %-ным раствором хлорного железа (FеС1₃). Раствора необходимо 5 см³. Пробирку с пробой встряхивают. При этом кальцит превращается в гелеобразную красно-бурую массу. Доломит не реагирует. Определение примеси доломита в известняке (доломитистый известняк, доломитизированный известняк) проводится в лабораторных условиях.

Изучение ритмичности и цикличности осадочных пород

Цикл, по определению Н. Б. Вассоевича, обособленный последовательный, непрерывный или прерывисто-непрерывный ряд закономерно связанных между собой явлений; ритм - равномерное чередование определенных элементов, повторов.

Выделяют элементарные слоевые ассоциации - циклиты, которые образуют циклы более высокого порядка. Мощность элементарных циклитов колеблется от единиц до нескольких десятков сантиметров. Ассоциации элементарных циклитов образуют мезоциклиты, которые обычно соответствуют отделам или нескольким ярусам стратиграфической шкалы. Следующий уровень - макроциклиты, примерно соответствующие периодам, и, наконец, мегациклиты, отвечающие одной-двум группам в стратиграфической шкале.

В геологической литературе широкое распространение получило деление циклитов на порядки. Согласно этому делению мегациклиты отнесены к циклам первого порядка, макроциклиты - второго порядка, мезоциклиты - третьего порядка и т. д.

Магматические горные породы

В отличие от осадочных пород, магматические породы неслоисты и не сланцеваты, что типично для метаморфических пород; в них не содержится остатков ископаемой фауны и флоры.

Интрузивные породы состоят главным образом из следующих породообразующих минералов: полевых шпатов, кварца, слюд, пироксенов, роговой обманки и др. Эти минералы представляют не случайную механическую смесь, а образуют естественные сростки (агрегаты), возникшие при кристаллизации остывающей магмы или лавы. В магматических породах не встречаются опал, халцедон, карбонаты, сульфаты, галоиды и др., типичные для осадочных пород. Обнаружение хлорита, серпентина, талька или карбонатов и других минералов, являющихся продуктами изменения первичных минералов магматических пород, указывает на разрушение этих пород.

Гранит различных оттенков, яснозернистый, зерна минералов различимы без лупы (фанеритовая структура), текстура массивная. В составе преобладает полевой шпат с совершенной спайностью, хорошо заметной на свежем изломе. Полевой шпат имеет красную или коричневатую окраску, которую сообщает всей породе. На втором месте по встречаемости стоит кварц, зерна стекловидные, окраска белая, серая или дымчатая, излом раковистый. Третье место принадлежит слюде. Гранит двухслюдистый, чаще встречается биотит, реже мусковит.

Пегматит встречается жилами, секущими красный гранит, окраска красная, но более светлая, чем у вмещающих гранитов, из слюд чаще, чем в гранитах, встречается мусковит, который иногда заметно преобладает над биотитом или полностью его замещает.

Габбро-диабаз - жильная порода основного состава. Цвет темно-серый, структура диабазовая.

Коры выветривания

Особое место, промежуточное между осадочными и магматическими или метаморфическими породами, занимают коры выветривания.

Кора выветривания состоит из минеральных продуктов, возникших в результате воздействия физических, химических и биохимических агентов выветривания на магматические, метаморфические или ранее возникшие осадочные породы. Это объединяет их с осадочными породами. Но эти продукты разрушения ранее существующих пород остались на месте и постепенными переходами связаны с породами, давшими им начало. Это отличает коры выветривания от осадочных пород. Следовательно, кора выветривания представляет собой остаток, не вовлеченный в перенос продуктов разрушения, который называют элювием. Н. М. Страхов отмечал, что элювий возникает при малоактивном гидродинамическом режиме, исключающем физическую сортировку продуктов выветривания. Стадийность выветривания коренных пород порождает вертикальную зональность элювия. Самостоятельной горной породой элювиального происхождения является почва - самый верхний покров земной коры, толщина которого изменяется от 0 до 1,5 м и редко до 2 м.

Отбор образцов на различные виды литолого-петрографических анализов и их документация 

Характер и размер образцов горных пород, частота их взятия зависят от целей исследований и особенностей изучаемых отложений. Однако можно дать несколько общих рекомендаций.

Все основные типы пород, принимающих участие в строении изучаемых пластов и пачек, должны быть представлены достаточно наглядными наименее выветрелыми образцами, иллюстрирующими вещество, структуру и текстуру каждого типа пород.

Отбирать образцы необходимо из всех литостратиграфических слоев. Следует стремиться брать образцы равномерно как по разрезу, так и по площади их распространения. Масса (размер) образца, необходимая для того или другого анализа, может быть весьма различной. Она зависит как от метода анализа, так и от состава породы. Эталонные образцы для коллекции в период учебной практики должны иметь размер не менее 15Х 10 см.

Размер образцов для литологического изучения зависит от типа пород и тех лабораторных исследований, которые предполагается провести. Среди наиболее массовых видов анализов следует отметить детальное микроскопическое изучение пород в шлифах, а также определение пористости и проницаемости. Для изготовления шлифа прямо в поле параллельно с отбором эталонного образца следует отобрать кусочек породы размером примерно 2,5 Х 2,5 см; для определения коллекторских свойств - 4 Х 4 см.

Для уточнения состава карбонатных пород (определения кальцита и доломита методами окрашивания) необходимо отобрать 8—10 кусочков породы около 0,5 см в поперечнике. Некоторые текстурные и структурные особенности этих пород хорошо изучаются в пришлифовках. Для их изготовления можно отбирать отдельные образцы, размер которых зависит от масштаба этих текстур и структур.

Относительно несложным и в то же время массовым методом изучения глинистых пород является определение их минералогического состава методами окрашивания. Для этого достаточно иметь образец массой 15—20 г. Для других специальных исследований (фотометрический, радиационно-химический, спектральный и другие анализы) можно предусмотреть отбор пробы массой 40—50 г.

Образец должен быть точно привязан к разрезу и сопровождаться этикеткой, заполняемой в двух экземплярах. Для того чтобы вести учет отобранных образцов и проб, используются специальные этикетные книжки. Рекомендуется приводить на этикетке возможно более полные сведения о взятом образце и обязательно указывать назначение образца. Записи в этикетках ведутся только, простым карандашом. Форма этикетки на практике установлена единая. Студентам выдается необходимое количество этикеток. Следует всегда заботиться о сохранности этикетки - ее потеря или порча приводит обычно к обесцениванию взятого образца.

Кроме этикетной книжки студенты составляют реестр образцов, в котором приводят все сведения об образце и дальнейшей его судьбе, выполненных анализах и местонахождении образца. Форма реестра образцов устанавливается научным руководителем полевой партии. Упаковка образцов обязательна. Она делается с целью обеспечения их сохранности при транспортировке. Образцы, отбираемые в поле, можно вкладывать вместе с этикетками в номерные мешочки, с тем чтобы уже в лагере их упаковать в бумагу (а рыхлые - в обычные матерчатые мешочки), но можно сразу делать это в поле. Завернутые в бумагу образцы подписываются (указываются номер образца, обнажения, слоя, краткий адрес, а иногда и другие данные).

Сбор ископаемых органических остатков

При любых геологических исследованиях геологу приходится устанавливать последовательность и время образования развитых в соответствующем районе горных пород. Особо важное значение для решения этих задач приобретают ископаемые остатки фауны и флоры. Отбор органических остатков должен производиться с привязкой каждой находки, с точным указанием местоположения найденных окаменелостей относительно подошвы или кровли содержащего их слоя. Тогда только они будут представлять ценность и послужат основой для определения возраста изучаемых пород.

Чем реже встречаются остатки фауны в породах, тем ценнее их находки, которые тщательно фиксируются и сохраняются.

Когда окаменелостей в слое или пачке много, не следует выбирать из них лишь те, которые представляются собирателю наиболее ценными, красивыми, интересными. В этом случае важно собирать представителей всех групп фауны. Следует взять образец, содержащий отдельные формы в том же соотношении, в котором они встречаются в слое. При сборе ископаемых необходимо обратить внимание на их сохранность (ядра или раковины, целостность, обломанность, окатанность), распределение в слое (равномерное или сосредоточенное участками); положение в слое (ориентированность по отношению к элементам пласта); наличие разобщенных частей (изолированность створок пластинчатожаберных, наличие определенных сообществ, включения остатков фауны в конкрециях и т. п.). Все эти наблюдения должны быть зафиксированы в полевой книжке.

Поиски и сбор ископаемой фауны можно начинать с осыпей, где благодаря раздробленности и выветриванию породы могут быть быстрее и легче замечены. Если остатки фауны есть в осыпи, следовательно, они есть и в пласте. Нужно только установить, за счет какого пласта образовалась осыпь. Сбор палеонтологического материала из осыпей в условиях развития плотных пород, в которых ископаемые нередко плохо различимы и извлекаются с большим трудом, имеет особое значение. При отбивании кусков породы окаменелости не всегда отделяются, иногда они остаются в глубине образца или на его поверхности. В этих случаях не следует заниматься на месте работ детальной препарировкой, целесообразно сделать это позднее, в камеральный период. Если затруднительно отбить кусок породы с хорошо сохранившейся или интересной в каком-либо другом отношении окаменелостью, то поступают так: вокруг окаменелости выбивают глубокий желобок, затем окаменелость откалывают, направляя удар молотка через зубило в глубь и в центр оконтуренного желобком участка породы. Если при откалывании образец треснул или раскололся так, что при этом оказался задетым палеонтологический объект, образец с окаменелостью необходимо склеить казеиновым клеем либо, при отсутствии клея, отметить химическим карандашом сочленяющиеся друг с другом обломки.

Нежные органические остатки - обугленные листья и тонкие стебли растений, а также тонкие хрупкие раковины мелких пластинчатожаберных, беззамковых брахиопод необходимо непосредственно на месте сбора тщательно упаковать в вату, а затем в лаборатории покрыть бесцветным лаком. Нередко остатки организмов являются центрами, вокруг которых происходит образование конкреций, поэтому надо раскалывать встречающиеся известковые, глинистые, сидеритовые и все другие конкреции, что часто приводит к находкам фауны хорошей сохранности.

Для всех последующих выводов об условиях существования фауны и образования пласта большое значение имеют органические остатки, найденные в коренном залегании, а не встреченные в осыпи. При сборе окаменелостей не следует стремиться на месте освободить их полностью от включающей породы. Лишь явно излишние куски породы могут быть отбиты в поле геологическим молотком и зубилом. Встречая внутренние ядра и отпечатки наружной поверхности растворившихся раковин, надо брать те и другие. На отпечатках бывают иногда видны детали, которые не наблюдаются на ядрах.

Собранные остатки фауны нужно тщательно упаковать, чтобы сохранить их в пути к месту последующего изучения. Достаточно прочные образцы плотно заворачиваются в мягкую оберточную бумагу, в случае необходимости прокладывают ватой, особенно те образцы, которые состоят из двух частей - отпечатка и раковины. Упаковочными материалами служат бумага, вата, мешочки, шпагат.