Cechy teksturalne skał okruchowych

Tekstura skały osadowej/osadu:

• uziarnienie

• litologia (skład mineralny, petrograficzny)

• morfologia ziarna (kształt, obtoczenie, charakter powierzchni)

• orientacja przestrzenna i upakowanie

• porowatość

• barwa

• cechy fizyko - chemiczne, np. gęstość właściwa, przepuszczalność

Uziarnienie - skala wielkości ziaren Uddena - Wentwortha [mm], Krumbeina [phi] - tabelka z poprzedniego wykładu.

Muł - mieszanina pyłu i iłu. Nie występuje osobno w klasyfikacjach. Gdy nie widzimy ziaren gołym okiem, najbezpieczniej jest nazwać taką skałę mułem, gdyż nie wiemy, jaki jest stosunek ilościowy pyłu do iłu.

Wielkość ziaren - metody badań

Metody badania uziarnienia wybieramy w zależności od rozmiaru ziaren oraz stopnia zlityfikowania (czy mamy do czynienia z osadem czy ze skała osadową).

• frakcja grubego żwiru (>32 mm) - mierzymy linijką (suwmiarką)

• frakcja piaszczysta i drobnego żwiru (32-0,063 mm) - analiza sitowa:

• na sucho

• na mokro

• frakcja pylasta i ilasta (<0,063 mm) - analizy sedymentacyjne

• skały okruchowe - analiza mikroskopowa

Osady grubookruchowe

Należy pomierzyć 3 prostopadłe do siebie osie otoczaka - oś najdłuższa, pośrednia i najkrótsza:

D_max lub L - największa średnica ziarna

D_med lub I - średnica pośrednia lub średni wymiar ziarna

D_min lub S - najmniejsza średnica ziarna

Średnia średnica ziarna D_m:

D_m = 1/3 (D_max + D_med + D_min)

Osady piaszczyste - analiza sitowa (omówiona na ćwiczeniach)

Osad musi być wyczyszczony, wysuszony, zważony. Sypie się naważkę do kolumny sit i się wytrząsa. Na każdym sicie pozostaje frakcja większa od średnicy oczek danego sita.

Średnica zastępcza - mówiąc średnica ziaren w przedziale takim i takim najczęściej operujemy średnicą zastępcza, mówimy że jest to frakcja od 2 do 4.

„Ziarna zajmują określoną przestrzeń, która jest ich objętością. Ziarna są przeważnie nieregularnymi bryłami, których wielkość trudno jest jednoznacznie oznaczyć za pomocą jednego prostego parametru. Najczęściej do określania wielkości ziaren stosuje się zastępcze miary wielkości tzw. średnice zastęcze. Rodzaj stosowanej średnicy zastępczej zależy od metody pomiaru. Ta natomiast w dużej mierze zależy od wielkości mierzonych ziaren”

Ds - zastępcza średnica sitowa (średnica oczek sita)

Dv - zastępcza średnica objętościowa (ziarno kuliste ma taką samą objętość jak ziarno rzeczywiste)

Osady pylasto - ilaste - analizy sedymentacyjne

• analiza areometryczna

• analiza pipetowa

(oparte na prawie Stokes'a)

Założenie: po dokładnym wymieszaniu próbki osadu z wodą (zawiesina jednorodna), poszczególne ziarna mineralne opadają niezależnie jedne od drugich z szybkością określoną wzorem Stokes'a.

Zawiesina jednorodna to zawiesina, w której zakładamy, że mamy pojedyncze cząstki minerałów ilastych, każde oddzielnie. Minerały ilaste mają pokrój blaszkowy, bardzo małych wielkości (<2 μm), blaszki minerałów mają ładunki elektryczne - przyciągają się i łatwo tworzą agregaty. Mówimy, że osad ulega koagulacji w wodzie. Przy analizach sedymentacyjnych musimy zadbać o to, by agregaty te porozbijać. Agregaty takie mogą mieć wielkość ziaren piasku. Mówimy zatem o dyspergowaniu zawiesiny.

Dyspergowanie zawiesiny - rozbijanie agregatów cząstek ilastych - wprowadzanie związków chemicznych, które w roztworze wodnym uwalniają jony sodu (Na⁺), adsorbowane na powierzchniach cząstek ilastych powodują powstanie dużych sił odpychania elektrostatycznego.

Dyspergatory:

• amoniak NH₃

• pirofosforan sonu Na₄P₂O₇

• colgen Na₆P₆O₁₈ i Na₂CO₃

1 mm = 1 000 μm

1 μm = 0,001 mm

1 μm = 1 000 nm

1 nm = 0,001 μm

Prawo oporu Stokes'a i prawo opadania Stokes'a - podstawy fizyczne

I. Siły działające na opadające ziarno

Prawo to opisuje siły oporu, na jakie trafia ziarno poruszające się w cieczy

P₁ - siła ciężkości, P₁ = mg

P₂ - siła skierowana przeciwnie do siły ciężkości - siła wyporu, P₂ = Vγ_w

Ziarno to porusza się pionowo w dół, ale w wyniku działania siły wypadkowej P

P = P₁ - P₂ lub P = (m-ρ_wV)g

gdzie:

m - masa ziarna

g - przyspieszenie ziemskie

V - objętość wypartej cieczy

ρ_w - gęstość wody

γ_w - ciężar objętościowy wypartej cieczy (gρ_w)

II. Dopóki P₁>P₂ ziarno porusza się ruchem jednostajnym przyspieszony, prędkość opadania v rośnie i rośnie siła hamująca (tarcia/oporu) F_T, do momentu aż dojdzie do zrównoważenia tych sił.

F_T = 6Πμrv - prawo oporu Stokes'a

gdzie

μ - lepkość dynamiczna cieczy

r - promień kulistego ziarna

v - stała prędkość opadania (gdy P1=P2; gdy siły te się zrównoważą, ziarno porusza się ruchem jednostajnym.).

III. W warunkach ruchu jednostajnego opór Stokes'a równy jest sile opadania.

F_T = P

6Πμrv = (m-ρ_wV)g

prawo opadania Stokes'a → v = 1/18 ρ-ρ_w/μ gd²

gdzie:

d - średnica kulistego ziarna

ρ, ρ_w - gęstość ziarna i wody

μ - lepkość dynamiczna

g - przyspieszenie ziemskie

Średnica zastępcza (sedymentacyjna) - średnica cząstki idealnie kulistej, która ma tę samą gęstość i opada w wodzie z tą samą prędkością co cząstka rzeczywista.

Inna postać wzoru Stokes'a:

v = 5,(5)*10^-9 ρ-ρ_w/η gd²

Przy stałych: ρ, ρ_w, η, g

wzór przyjmuje postać uproszczoną:

v = βd²

Wiemy, że prędkość można wyrazić wzorem:

v = h/t

gdzie:

t - czas

h - droga

h/t = βd² → t = h/βd²

Wzory te stosowane są przy analizie pipetowej

β = 8,680(5) * 10^-5 cm/s μm²

przy założeniu:

ρ = 2,6*10³ kg/m³

ρ_w = 998,203 kg/m³ (w temp. 20^oC)

η = 1,005 g/m s

np.

t = 10 cm / 8,6805*10^-5 cm/s μm²*(15,6 μm)² = 473 s = 7 min 53 s

Interpretacja - cząstka o średnicy 15,6 μm znajdzie się na głębokości 10 cm po czasie 7 min 53 s.

Analiza areometryczna - metoda wg Prószyńskiego

Posługujemy się areometrem. Areometr służy do pomiaru gęstości cieczy. Składa się z baniaczka obciążonego ołowianymi kuleczkami - nurnik areometru i z rurki szklanej, na której jest podziałka.

„Areometr - urządzenie służące do mierzenia gęstości cieczy i gazów, w którym wykorzystuje się siły wyporu, z jaką ciecz lub gaz działa na zanurzone w niejciało stałe”

Areometr zanurza się w zawiesinie jednorodnej i robi się w określonych odstępach czasu odczyty na podziałce areometru. Gęstość zawiesiny będzie maleć w czasie, bo ziarenka będą opadać na dno. Na podstawie zmian gęstości zawiesiny można obliczać, ile poszczególnej frakcji jest w próbce. Korzystamy z tabeli, w której mamy podany czas, po którym należy wykonać pomiar.

Aparat laserowy - próbka w postaci zdyspergowanej zawiesiny

zakres: 1250 μm - 0,16 μm

Po przejściu wiązki laserowej przez próbkę otrzymujemy obraz dyfrakcyjny, na którym zarejestrowano zmiany natężenia światła pochłanianego przez zawiesiny, które są wynikiem sedymentacji osadu z zawiesiny.

Opracowanie wyników analiz uziarnienia (ilustracje w załączonej prezentacji)

1. Histogram słupkowy

2. Dystrybuanta - powstaje z połączenia środków przedziału histogramu

Rozkład normalny - krzywa Gaussa (krzywa dzwonkowa)

Za pomocą rozkładu normalnego opisywane są różne zjawiska, także przyrodnicze.

Wykresem rozkładu normalnego jest krzywa dzwonkowa. Rozkład normalny charakteryzuje się symetrią i tym, że maksymalne wartości ma pośrodku.

Wykazano, że rozkład wielkości ziaren przy kruszeniu jednorodnego materiału wyjściowego jest najbliższy rozkładowi normalnemu.

3. Kumulanta - kumulacyjna krzywa uziarnienia

• skala arytmetyczna

• skala probabilistyczna - wydłużają się odstępy między procentami; chodzi o to, by kumulantę wyprostować, wyciągnąć jednostki tak, by wykresem rozkładu normalnego była linia prosta.

4. Projekcja na trójkącie - szczególnie, gdy chcemy zobrazować wyniki uziarnienia dla serii próbek; w narożniki można wsadzić różne frakcje.

---