Розподіл розмірів частинок осадових порід і шкала Вентворта

Шкала Вентворта: Називання Розмірів

У 1922 році геологою Честером К. Вентвортом було запропоновано класифікацію розмірів осадових часток, яка досі є основою для седименталогії. Це базується на простому спостереженні: розміри часток у природі охоплюють багато порядків величини, від великих каменів понад 256 міліметрів до глинистих часток менших за 0,0039 міліметра, тому корисна шкала має бути логарифмічною, а не лінійною. Рухаючись від найбільшого, основні класи – великий камінь, каміння, гальку, піскунець, пісок, глина та мул, при цьому пісок часто розділяється на підкласи дуже грубого, грубого, середнього, тонкого та дуже тонкого. Кожний межуючий у шкалі встановлюється як подвоєння (або поділ навпіл) діаметра, тому каміння охоплює приблизно 64-256 міліметрів, а галька – близько 4-64 міліметрів. Це співвідношення подвоєння формально відображається у шкалі фі (φ), де фі дорівнює від’ємному логарифму за основою два діаметра зерна в міліметрах. Грубі часточки мають негативні значення фі, пісок згрупований навколо 0-4 фі, а глина виходить за межі 8 фі. Седименталоги віддають перевагу одиницям фі, оскільки вони перетворюють незручний експоненційний діапазон на прості, рівномірно розташовані арифметичні значення, що робить статистичного опису розподілу розмірів часток зразка значно більш простим. Це також означає, що бінарні інтервали однакової ширини у просторі фі відповідають дійсно еквівалентним інтервалам розмірів, на відміну від бінарних інтервалів однакової ширини в міліметрах, які були б абсурдно грубими на кінці великого каменю та абсурдно тонкими на кінці глини. Шкала Вентворта-Уддена (Удден у 1898 році запропонував логарифмічну основу, а Вентворт розширив і популяризував назви класів) залишається стандартною посилальною системою в седиментарній петрології, землевідних науках та геотехнічній інженерії, що саме завдяки тому, що вона відповідає реальному варіюванню розмірів часток у природі: за співвідношеннями, а не за фіксованими інтервалами.

Просіювання: Перетворення Зерен у Породу і Шкала Вентворта

Класичний метод вимірювання розподілу розмірів частинок осадових порід полягає в механічному просіюванні. Буде зібрано стовп із сит з прогресивним зменшенням розміру комірок, від верхньої до нижньої, кожна з яких зазвичай відповідає межі Вентворта або пів-фі, а на дні буде тверда ємність для захоплення всього, що менше останнього коміра. Ваговий, висушений зразок заливається на верхню сито, всю стовпку фіксують на механічному вібруваті, і він вібрує протягом кількох хвилин, іноді з додаванням бічного постукування для запобігання утворенню грудочок частинок або перекриванню комірки. Під час вібрації кожна частинка рухається вниз, поки не зустріне сітку, яка занадто дрібна, щоб пройти крізь неї, де вона зупиняється. Грубі піщаники залишаються на верхньому ситі, середні піщинки зупиняються на кількох ситах нижче, а лише найтонший мул і глина досягають ємності, якщо ці малі класи навіть присутні, оскільки справжня глина та значна частина мулу потребують іншого методу, оскільки вони занадто дрібні та здатні до злипання, щоб ефективно просіювати. Зазвичай їх вимірюють за допомогою методів занурення швидкості, таких як піпетка або гідрометр, або за допомогою лазерного розсіювання. Після вібрації кожне сито вагується окремо, вага порожнім ситом віднімається, а утриманий на кожному ситі залишок виражається як відсоток загальної ваги зразка. Побудова кумулятивної відсоткової кількості утримання (або відсоткового співвідношення пропуску) проти розміру частинок, зазвичай на шкалі фі або логарифмічній осі, створює криву розподілу розмірів частинок. Простий гістограм з ваги за класом також передає ту ж інформацію у більш інтуїтивному вигляді стовпчастою діаграмою, і обидва представлення дозволяють геологовіму порівнювати текстуру одного зразка з іншим або з посиланнями на криві для відомих середовищ.

Читання: вузький проти широкого сортування

Найбільш виразна особливість у кривій розподілу розмірів частинок – це її вузькість або широта, які називають сортуванням у седиментації. Складений матеріал із хорошим сортуванням має майже всю масу зосереджено в невеликому діапазоні розмірів, що дає високий, вузький графік та різку кумулятивну криву. Погано відсортований матеріал розподіляє свою масу по багатьох класах розмірів одночасно, створюючи низький, широкий графік і пласку кумулятивну криву. Сортування кількісно визначається статистично, часто за допомогою формули на основі фі-значень 16-го, 50-го та 84-го персентилів кумулятивного розподілу, що дає один індекс сортування, який варіюється від дуже добре відсортованого до дуже погано відсортованого. Сортування відображає селективність транспортувального середовища. Вітер – це слабкий, низькощільний флюїд порівняно з водою, тому за будь-якої заданої швидкості вітру він може утримувати лише вузький діапазон розмірів частинок у повітрі або під час дрібного вибуху (процес сальтації); все, що більше, просто не може бути піднято, а все, що значно менше, повністю зноситься як суспензія та видаляється з відкладу. Це видно в піску пустельних дюн і ґрунті лоссових, який часто є найкращим сортуванням, яке можна знайти у природі. Піщані пляжі та річкові піски також відносно добре відсортовані, оскільки течія води та енергія хвиль також схильні до обмеженого діапазону розмірів, хоча зазвичай не настільки, як вітер. На протилежному кінці знаходиться матеріал, який не зазнав жодної селективної транспортування. Глиняний матеріал з льодовика, матеріал, що був розколов, затягнутий і просто скинутий при танення льодовика, містить все, що льодовик зібрав по дорозі, від мікроскопічного каміння до великих каменів, все змішане без жодного процесу сортування для їх розділення. Його крива розподілу розмірів майже плоска в усьому діапазоні, що є практичним визначенням погано відсортованого матеріалу, і ця одна властивість часто достатньо для геолога ідентифікувати глиняний відкладений матеріал на місці перед перевіркою будь-чого іншого.

Форма кривої: симетрія, нахил і відкладені свідчення

Крім того, наскільки вузькою або широкою є розподілена порода за розмірами частинок, її загальна форма несе додаткову інформацію. Симметрична крива, де розподіл рівномірно зменшується як до грубих, так і до дрібних кінців навколо центрального піку, свідчить про один відносно стабільний процес транспортування з осадового джерела, яке не зазнавало значних змін протягом часу. Багато зразків зрячого річкового піску та стабільних пляжів наближаються до цієї симетрії. Крива з нахилом (або спотворена) розповідає більш складну історію. Позитивний (дрібний) нахил означає, що розподіл має довгий хвіст, який тягнеться до дрібних частинок, і більшість маси зосереджена в грубих розмірах; цей шаблон часто спостерігається там, де сильний потік відкладає грубі шари, але також відносно невелика кількість дрібного матеріалу осідає з суспензії неподалік, або коли дрібний матеріал вимивається вниз за течією, залишаючи лише дрібний хвіст. Негативний (грубий) нахил, довгий хвіст, який тягнеться до грубих частинок, може вказувати на середовище, де інше дрібнозернисте, спокійне середовище періодично переривається більш енергійними імпульсами, такими як шари, відкладені штормом, які відкладають грубі зерна всередині звичайно тихої глини або накопичення тонкого піску, а також дрібний матеріал, вимитий за течією. Іноді утворюються чітко бімодальні розподіли – два окремі піки замість одного, що є сильним свідченням про те, що до складу відкладення внесли свій вклад дві різні процеси транспортування або два різні джерела матеріалів, наприклад, опад піщаних частинок з вітру на поверхню з гранітним шаром, або суміш первинного вулканічного попелу з переробленого руслового осаду. Об'єднуючи сортування, нахил та модальність, седиментолог може часто звузити не лише енергійність процесу транспортування, але й кількість різних процесів або епізодів, які сприяли внеску зерен у один зразок, перетворюючи склянку піску на досить детальний транспортний анамнез.

З лави нашого розуміння: інтерпретація реальних середовищ

Аналіз розміру зерен не є просто академічною вправою; це один із основних інструментів, який використовують геологи для реконструкції давніх відкладених середовищ з порід і осадів само по собі, підхід, що лежить в основі принципу, що сучасні процеси є ключем до розуміння минулого. Пісковикова порода з відмінною сортуваністю, округлими зернами та вузьким, симетричним розподілом розмірів узгоджується з давнім дюнним полем або пляжем, особливо якщо враховувати й інші ознаки, такі як перехресні шари або обведеність, у поєднанні з іншими підказками. Погіршений конгломерат із всього від глинистого матриксу до великих кутових порід свідчить про льодовикові, дебрис-потік або аллювійні відкладення, середовища, де відбувалися масові рухи або вода переносила матеріал з мінімальною сортуваністю. Річкові відклади зазвичай демонструють помірну сортуваність, яка покращується зі збільшенням відстані вниз по течії, оскільки найбільші камені та щебені поступово залишаються позаду біля джерела, а більш дрібний матеріал долає більші відстані. Морські відклади значно варіюються залежно від глибини води та енергії: висока енергія поблизько узбережжя добре сортує пісок, тоді як глибокі, спокійні офшорні западини накопичують дрібний, добре сортований мул і глину, оскільки лише найменші частинки досягають такої відстані від берега перед осіданням. Робота з розподілом розмірів зерна також має велике практичне застосування за межами чистого дослідження. Інженери-цивілі та геотехнічні проводять аналіз сита на ґрунті та агрегаті, щоб оцінити поведінку стиснення, дренаж і придатність для бетону або основи дороги. Гідрогеологи використовують дані про розподіл розмірів зерна, щоб оцінити проникність та пористість водоносного горизонту, оскільки добре сортований крупний пісок сприяє швидкому транспортуванню води між зернами більше, ніж погано сортований відкладення, де дрібні частинки заповнюють порожнини між великими зернами. У кожному випадку основна логіка веде до одного фізичного принципу, який досліджується в цьому симуляторі: форма кривої розподілу розмірів зерна записує кількісно та відтворювано, наскільки селективним був процес, що відкладав відкладення.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Sediment Grain-Size Distribution and the Wentworth Scale і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.