3 SEDIMENTNE STRUKTURE

Transcript

1 3 SEDIMENTNE STRUKTURE 3.1 UVOD fizičke osobine sedimenata koje su uglavnom odraz taložnih procesa, ali mogu biti i posttaložnog odnosno dijagenetskog podrijetla najčešće obuhvaćaju veličinu zrna morfologiju zrna građu sedimenta (značajke koje se u engleskoj literaturi označavaju s texture ) njihovim istraživanjem mogu se dobiti informacije o načinu, uvjetima i okolišima postanka sedimenata 3.2 VELIČINA ZRNA osnovni deskriptivni element siliciklastičnih sedimentnih stijena odraz je procesa trošenja i erozije, koji generiraju čestice različitih veličina i prirode transporta Ljestvice veličine čestica veličina čestica u sedimentima i sedimentnim stijenama kreće se u rasponu od nekoliko mikrometara (mikrona) do nekoliko metara tipovi geometrijske ljestvice logaritamske ljestvice 30

2 Udden-Wentworthova ljestvica najčešće korištena ljestvica za klasifikaciju i nomenklaturu sedimenata i sedimentnih stijena geometrijska ljestvica bazirana na broju 2 (1, 2, 4, 8, 16) Pojednostavljena ljestvica veličine čestica koja pokazuje Wentworthove kategorije i odgovarajuće kategorije u phi (Φ) jedinicama. Krumbeinova ljestvica modifikacija Udden-Wentworthove ljestvice s logaritamskim Φ jedinicama Φ=-log 2 d d-veličina zrna u mm Prim: veličina čestica pijeska kreće se između 0,0625mm i 2mm; tj. od 2-4 mm do 2 1 mm što u Φ jedinicama iznosi: Φ = -log = -(-4) = 4 Φ = -log = -(1) = 1 Ljestvica veličine čestica s odgovarajućim nazivljem. Preuzeto iz 3 Shema klasifikacije šljunkovito-pjeskovito-muljevitih sedimenata i sedimentnih stijena. 31

3 3.2.2 Metode određivanja veličine čestica (granulometrijskog sastava) odabir ovisi o rasponu veličine čestica stupnju konsolidacije sedimenta odnosno sedimentne stijene namjeni istraživanja podjela terenske laboratorijske terenske metode usporedba sa standardnim uzorcima usporedba istraživanog sedimenta sa standardnim uzorcima poznatih dimenzija zrna vrlo krupni pijesak krupni pijesak srednji pijesak Standardni uzorci koji služe za terensku odredbu veličine čestica. sitni pijesak vrlo sitni pijesak silt upotreba Mullerovog povećala povećalo s ljestvicama za mjerenje veličine čestica od 20 μm do 20 mm terensko sijanje po Azmonu za prahovito-pješčane, pješčane i pješčano-šljunkovite nevezane sedimente sijanje uzoraka kroz 3-5 sita mjerenje volumena svake pojedine frakcije u menzuri izračun volumnog udjela svake frakcije određivanje vrste sedimenta mjerenje brzine taloženja čestica za muljevite (glinovito-siltne) sedimente mjeri se vrijeme potrebno za taloženje sedimenta suspendiranog u vodi iz potrebnog vremena izračunava se (očitava iz tablica) promjer čestica u uzorku 32

4 laboratorijske metode izravno mjerenje kod analize šljunaka, breča i konglomerata pomično mjerilo, milimetarska traka, ravnalo mjeri se najveći promjer barem 300 zrna mjerenja mikroskopom kod analize pješčenjaka i siltita kad nije moguće dezintegrirati uzorak mjere se veličine slučajnih presjeka najmanje 300 zrna sijanje najvažnija metoda određivanja veličine zrna (prah - sitni šljunak) 5-7 sita frakcija dio uzorka koji sadrži zrna s dimenzijama ograničenim dimenzijama otvora gornjeg i donjeg sita priprema rasuti uzorak četvrtanje poluvezani ili vezani dezintegracija» moćenje u vodi (muljeviti sedimenti slabo vezani pješčenjaci)» vodikov peroksid (H 2 O 2 ) - slabo vezani glinovito-prašinasto-pješčani sedimenti 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 (pritisak dezinetegrira stijenu)» ultrazvuk - jače litificirani glinovito-prašinasto-pješčani sedimenti - djelovanje ultrazvuka na razmrvljeni i u vodi namočeni uzorak» kiseline (monokloroctena, octena, klorovodična) - otapanje kalcitnog cementa Prim: CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O sijanje trešnja seta sita na vibracijskom aparatu mjerenje mase uzorka zaostalog na pojedinom situ (frakcija) izračunavanje masenog udjela svake pojedine frakcije Laboratorijska sita 33

5 sedimentacijska analiza određivanje veličine zrna na temelju brzine padanja čestica temelji sa na Stocksovu zakonu: veličina čestica (d) računa se mjerenjem vremena (t) potrebnog da bi čestice pale s visine h: uvjeti masa tekućine mora biti puno veća od mase uzorka uzorci sadrže čestice <0,05 mm (mala brzina padanja čestica) metode sedimentacija u Atterbergovom cilindru omogućava izdvajanje bilo koje željene frakcije uzorak se dispergira u vodi i stavi u cilindar izračuna se vrijeme potrebno za taloženje čestica većih od željene veličine (prim. 4µm) nakon tog vremena tekućina s česticama željene veličine i manjima ispusti se u posebnu posudu postupak se ponavlja više puta (dok tekućina u cilindru ne postane bistra) spora (oko 30 dana) Preuzeto iz 3 Prikaz postupka sedimentacijske analize metodom Atterbergovog cilindra. pipetna metoda koristi se za analize granulometrijskog sastava pipetiranjem u različitim vremenskim razmacima iz iste dubine suspendiranog uzorka određuje se promjena koncentracije uzorka koja ovisi o brzini taloženja, tj. o veličini čestica koje se talože svaka odpipetirana suspenzija se osuši i izvaže postotak svake pojedine frakcije izračuna se iz težine suhog ostatka početne koncentracije i razlike težina suhih ostataka svih ostalih koncentracija areometriranje temelji se na promjeni gustoće suspenzije u ovisnosti o brzini taloženja čestica mjerenjem promjena gustoće suspenzije u određenim vremenskim razmacima (t 1, t 2, t 3,..) potrebnim za taloženje čestica promjera d 1, d 2, d 3 izračunaju se udjeli sedimentiranih čestica Areometar Mjerenje gustoće tekućine areometrom. 34

6 mjerenje refrakcije ili disperzije svjetla koje prolazi kroz suspenziju sedigraf Preuzeto iz 2i SediGraph III 5210 tvrtke Micrometrics. VELIČINA ZRNA (u mm) > Izbor metoda određivanja veličine čestica u sedimentima VRSTA SEDIMENTA ILI STIJENE blokovi konglomerat/breča šljunak/drobina konglomerat/breča METODA izravno mjerenje izravno mjerenje i sijanje rupičastim sitima POTREBNA KOLIČINA UZORKA najmanje 300 pojedinačnih zrna > 300 zrna ili sijanje rupičastim sitima 2 0,063 pijesak pješčenjak 0,063 0,004 < 0,004 prah prahovnjak glina glinjak sijanje laboratorijskim sitima mjerenje mikroskopom sijanje mikrositima i sedimentacijska analiza sedimentacijska analiza mjerenje elektronskim mikroskopom g > 300 zrna g 1 5 g 0,1 0,5 g Grafički prikaz rezultata granulometrijskih analiza histogram krivulja učestalosti (frekvencijska krivulja) kumulativna granulometrijska krivulja histogram prikaz količine svake pojedine frakcije u obliku stupaca Rezultati analize granulometrijskog sastava prikazani u obliku histograma. 35

7 krivulja učestalosti (frekvencijska krivulja) na apscisu se nanesu veličine zrna, a na ordinatu njihova količina u % dobivenim točkama konstruira se krivulja daje brzu impresiju o distribuciji veličine čestica, o unimodalnom, bimodalnom ili polimodalnom sastavu Rezultati analize granulometrijskog sastava prikazani u obliku krivulja učestalosti. kumulativna granulometrijska krivulja najčešći način prikazivanja rezultata granulometrijskih analiza prikazuje cjelokupni sastav i raspored zrna iz nje se mogu direktno očitati udjeli pojedinih frakcija iz nje se mogu očitati ili izračunati važni granulometrijski parametri Rezultati analize granulometrijskog sastava prikazani u obliku kumulativne granulometrijske krivulje. Rezultati analize granulometrijskog sastava prikazani u obliku kumulativne granulometrijske krivulje. Veličina čestica na apscisi izražena je u mm i prikazana je na logaritamskoj skali. 36

8 3.2.4 Parametri veličine čestica (granulometrijski parametri) srednja veličina čestica (medijan) prosječna veličina zrna (mean) koeficijent sortiranosti koeficijent asimetrije srednja veličina čestica (medijan) - Md veličina čestica na 50% kumulativne granulometrijske krivulje A B Očitavanje medijana na kumulativnoj granulometrijskoj krivulji: A Φ jedinice; B mm prosječna veličina čestica (mean) - M aritmetički izračunata prosječna veličina čestica A B Izračunavanje prosječne veličine čestica na kumulativnoj granulometrijskoj krivulji: A Φ jedinice; B mm koeficijent sortiranosti - So pokazatelj distribucije veličine čestica faktori: izvor materijala granit će dati drugačiji materijal nego stariji pješčenjak veličina zrna sedimenta pijesak najčešće bolje sortirani od krupnozrnatih i sitnozrnatih jer se lako transportiraju, a time i sortiraju vjetrom i vodom taložni mehanizam naglo taloženi sedimenti (prim. olujni sedimenti) loša sortiranost sedimenti taloženi iz viskoznih tokova (prim. muljni tokovi) loša sortiranost sedimenti prerađeni vjetrom ili vodom (prim. pješčani sedimenti pustinja ili plaža) dobra sortiranost načini određivanja matematički izračun iz kumulativne granulometrijske krivulje usporedba s vizualnim komparatorima za procjenu sortiranosti čestica 37

9 matematički izračuni sortiranosti čestica iz kumulativne granulometrijske krivulje A B Utvrđivanje sortiranosti čestica u uzorku matematičkim izračunom: A standardne devijacije (Folk & Ward); B kvadratnog korijena P75/P25 (Trask & Krumbein). Folk & Ward Trask & Krumbein So sortiranost So sortiranost < 0,35 vrlo dobra 1-1,23 vrlo dobra 0,35-0,50 dobra 1,23-1,41 dobra 0,50-0,71 umjereno dobra 1,41-1,74 srednja 0,71-1,00 umjerena 1,74-2,00 loša 1,00-2,00 slaba >2,00 vrlo loša > 2,00 vrlo slaba Granične vrijednosti kategorija sortiranosti čestica. usporedba s vizualnim komparatorima za procjenu sortiranosti čestica Preuzeto iz 3 koeficijent asimetrije- Sk (skewness) pokazatelj simetričnosti distribucije čestica najbolje se vidi na krivulji učestalosti pozitivni Sk (prim. fluvijalni i eolski sedimenti) negativni Sk (prim. sedimenti plaža) Krivulja učestalosti sa simetričnom distribucijom čestica. Krivulja učestalosti s asimetričnom distribucijom čestica. 38

10 matematičko izračunavanje koeficijenta asimetrije Granulometrijske analize mogu se koristiti za razlikovanje sedimenata iz različitih okoliša i facijesa i daju podatke o taložnim procesima i uvjetima toka, međutim same za sebe nisu dovoljno pouzdane i najbolje ih je koristiti u kombinaciji s drugim karakteristikama sedimenta poput sedimentnih tekstura. 3.3 MORFOMETRIJSKE ZNAČAJKE ZRNA daju podatke o strukturno-teksturnim odlikama sedimenta služe pri rekonstrukciji i interpretaciji uvjeta transporta i okoliša taloženja oblik zrna sferičnost zaobljenost struktura površine zrna Oblik zrna približavanje nekog zrna manje-više pravilnim geometrijskim tijelima faktori primarni oblik minerala u matičnoj stijeni stupanj zaobljavanja i habanja tijekom transporta dijagenetske promjene Karakteristični oblici zrna Sferičnost zrna približavanje oblika zrna obliku kugle indeks sferičnosti (Is) Is = (Vz/Vk) 1/3 Vz-volumen zrna Vk-volumen kugle promjera kao i najmanji mogući opisani krug oko projekcije zrna Is 1; Is bliže jedinici zrno sličnije kugli viša sferičnost u praksi vizualno uspoređivanje zrna s grafičkom tablicom Preuzeto iz 3 Tablica za grafičko određivanje stupnja sferičnosti i zaobljenosti zrna. 39

11 3.3.3 Zaobljenost zrna odnos između uglova i bridova zrna prema polumjeru najvećeg mogućeg u zrno upisanog kruga proporcionalna je dužini i intenzitetu transporta, veličini zrna i njegovoj gustoći, a obrnuto proporcionalna s tvrdoćom zrna Prim: valutice šljunka dobro su zaobljene već nakon km transporta stupanj zaobljenosti kvarcnih zrna promjera 1,5-2 mm povećava se nakon transporta na udaljenost od 2000 km samo oko 5% Kategorije zaobljenosti za niskosferična i visokosferična zrna Struktura površine zrna može se istraživani na zrnima veličine pijeska i krupnijima istražuje se pomoću elektronskog mikroskopa strukture na površini zrna su značajke koje nastaju kao rezultat transportnog mehanizma i ponekad mogu imati dijagnostičko značenje Preuzeto iz 1 sedimenti visokoenergetskih plaža glacijalni sedimenti pustinjski sedimenti Elektronske mikrofotografije pješčanih kvarcnih zrna. orijentacija zrna način pakiranja zrna način podržavanja zrna (potpora) kontakti među zrnima 3.4 GRAĐA SEDIMENTA kontroliraju neke fizičke značajke sedimentnih stijena poput gustoće, poroznosti i permeabilnosti Orijentacija zrna produkt je interakcije transportno-taložnog medija (prim. vjetar, led, voda) sa sedimentom preferirana orijentacija česta kod pješčenjaka i konglomerata zrna i valutice su poredane svojom dužom osi u istome smjeru 40

12 transport klizanjem transport kotrljanjem u vodi imbricirane valutice Shematski prikaz orijentacije izduženih zrna (valutica) u odnosu na smjer struje. imbrikacija pojava karakteristična za plosnate valutice u šljuncima nošenim vodom valutice su naslonjene jedna na drugu i nagnute u smjeru suprotnom od smjera toka često se koristi za istraživanja paleotokova slučajno orijentirane valutice Imbricirane valutice s naznačenim smjerom prijenosa materijala Način pakiranja zrna utječe na poroznost i propusnost stijena kubično pakiranje visoka poroznost romboedarsko pakiranje niska poroznost ovisi o obliku, veličini zrna i sortiranosti lošija sortiranost manja poroznost Kubično i romboedarsko pakiranje zrna u sedimentu Način podržavanja zrna (potpora) klastpotporne stijene zrna su u međusobnom kontaktu Klastpotporni konglomerat; Manastir Krka. matrikspotporne stijene zrna plivaju u matriksu Preuzeto iz 1 Matrikspotporni konglomerat. 41

13 3.4.4 Kontakti među zrnima ukazuju na stupanj kompakcije sedimenta glavni tipovi točkasti zrna dodiruju jedan drugi u točkama dajući sedimentu zrnsku potporu tangencijalni zrna se dodiruju duž linija konkavno-konveksni zrna prodiru jedno u drugo suturirani zrna imaju zupčaste kontakte Vrste kontakata među zrnima. 3.5 MATRIKS I CEMENT zapunjavaju prostor među zrnima u strukturi klastičnih sedimenata (klastična struktura) matriks mehanički istaloženi sitni detritus (prim. glina ili prah) može biti taložen istovremeno s krupnijim česticama ili naknadno zapunjavajući porni prostor cement kemijski precipitirani autigeni mineral (prim. kalcit, silika, Fe-oksidi) cementacijom se smanjuje poroznost i permeabilnost sedimenta Primjeri klastične strukturemikroskopski izgled. strukturno nezreli sedimenti puno matriksa loša sortiranost uglata zrna strukturno zreli sedimenti malo matriksa sortiranost umjerena do dobra zrna poluzaobljena do zaobljena strukturno superzreli sedimenti nemaju matriksa vrlo dobra sortiranost zrna su dobro zaobljena primarna poroznost i permeabilnost rastu s porastom strukturne zrelosti jer zreliji sedimenti sadrže manje matriksa i više pornog prostora 3.6 STRUKTURNA ZRELOST Preuzeto iz 3 Preuzeto iz 3 42