Dziś tematem będzie jedna z cech tekstualnych – wielkość ziaren, inaczej uziarnienie. Przypomnimy sobie definicję tekstury. W przypadku skał osadowych definicję struktury i tekstury pozostają w sprzeczności w stosunku do skał krystalicznych. W odniesieniu do skał osadowych nie jest to analogiczne. Tekstura w skałach okruchowych to takie cechy jak uziarnienie, litologia (skład mineralny, petrograficzny), morfologia ziarna (kształt, obtoczenie, charakter powierzchni), orientacja przestrzenna i upakowanie – ziarna o wydłużonych kształtach, porowatość wynikająca z wcześniej wymienionych upakowania i uziarnienia, dalej barwa oraz inne cechy fizyko chemiczne, np. gęstość właściwa, przepuszczalność.

Dlaczego uziarnieni i litologia są wyróżnione na niebiesko? Jak już zwróciliśmy uwagę to te dwie są dominujące w klasyfikacjach. Ich kombinacja będzie nam klasyfikować skały. Dzisiaj zapoznamy się szczegółowo z uziarnieniem.

Tabela już była. To jest podział wszystkich osadów na cztery podstawowe frakcje główne. Jak widzimy mamy cztery główne: żwirową, piaszczystą, pyłową i iłową. Koniecznie musimy znać wartości graniczne. Powyżej 2 mm to zaliczają się do frakcji żwirów. W nomenklaturze angielskiej mamy też pojęcia szczegółowe (granule, pebble, cobble, boulder). My sobie używamy otoczaki, głazy, ale w sedymentologii to nie funkcjonuje w Polsce. Do 0,063 mm piasek, do 0,004 mm ił. To jest skala według Uddena-Wenwortha. Druga to jest skala Krumbeina równoległa do tej. Wśród frakcji podstawowych nie ma czegoś takiego jak muł, który jest mieszaniną pyłu i iłu w odpowiednich proporcjach. To wynika z trójkąta klasyfikacyjnego Folka. Często takie drobnoziarniste osady określa się jako muły czy mułowce, bo nasze oko często tego nie widzi. Przeżuwa się żeby sprawdzić czy chrzęści czy nie chrzęści itd. Czyli można określać pyłowce i iłowce ogólnym mianem mułowiec.

Analizy granulometryczne

Wielkość ziaren możemy określać analizą granulometryczną. Dla osadów piaszczystych stosuje się analizę sitową. Metodę badania uziarnienia wybieramy w zależności od rozmiarów ziaren oraz stopnia zlityfikowania.

• Jeżeli mamy osad we frakcji grubego żwiru (powyżej 32 mm), to mierzymy po prostu linijką lub suwmiarką

• Frakcję piaszczystą oraz drobnego i średniego żwiru przesiewa się przez kolumnę sitową na sucho lub na mokro.

• Frakcja pylasta i ilasta poniżej 0,063 mm. W stosunku do tych osadów stosujemy analizy sedymentacyjne.

• Dla skał okruchowych możemy zrobić analizę uziarnienia, ale w oparciu o płytkę cienką przez analizę mikroskopową. Broń boże brać piasek zlityfikowany, wrzucić w moździerz i robić sitową. Jeżeli osad jest zlityfikowany to jest to skała. Wtedy nie wykonuje się analizy sitowej. Niektóre ziarna mogą bowiem popękać i możemy uzyskać zupełnie inny obraz.

Jeżeli robilibyśmy sobie analizę otoczaków, gdzie mielibyśmy do czynienia z kilkucentymetrowymi otoczakami to tak jak mówiliśmy mierzy się te otoczaki, bo nie ma w zasadzie takich grubych sit (choć można by je wykonać). Mierzy się zatem trzy prostopadłe do siebie osie. Otoczak jest traktowany jako elipsoida trójosiowa. Mamy zatem oś najdłuższą, pośrednią i najkrótszą. Średni wymiar ziarna można wziąć jako średnicę pośrednią. Drugi sposób to średnia arytmetyczna tych trzech wymiarów.

Analiza sitowa

W odniesieniu do osadu piaszczystego wykonuje się analizę sitową. Analizę sitową wykonuje się na sucho lub na mokro, w zależności od rodzaju materiału. Na sucho można badać materiały sypkie takie jak szamot¹, kwarcyty, magnezyty oraz gliny przeznaczone do produkcji metodą półsuchego prasowania². Analizę na mokro³ stosuje się natomiast w przypadku kaolinów, glin oraz materiałów bardzo drobno sproszkowanych, nie reagujących z wodą, a przeznaczonych na masy plastyczne. Analizę sitową wykonuje się czasem tak, że najpierw przesiewa się na mokro na sicie o wymiarze oczka 0,063 mm. Tą pozostałość dopiero po wysuszeniu przesiewa się przez pozostałe sita. Sposób ten stosuje się dla glin bardzo tłustych, dających niewielką pozostałość przy przesiewaniu ich przez najdrobniejsze sito.

Osad do analizy musi być wysuszony i odważony. Sypie się naważkę na kolumnę sit. Musi być ustawiona w odpowiedniej kolejności. Wytrząsa się dalej na wytrząsarce. Może być napęd elektromagnetyczny lub koło zamachowe. Nowoczesne sprzęty zawierają wagi dostosowane do ważenia próbki na sicie. Dane wędrują z wagi automatycznie do komputera. Mamy program siewca, który to liczy, ale my ręcznie musimy.

Tu jeszcze diagram pokazujący ideę analizy sitowej. Chodzi nam o to by rozdzielić naszą naważkę na ziarna o określonej wielkości i poznać ich masy.

Najczęściej nie mierzymy każdego ziarenka z osobna, ale stosujemy pewne uproszczenia, a mianowicie średnicę zastępczą. Można stosować zastępczą średnicę sitową, to średnica odpowiadająca wymiarowi liniowemu otworu sita, od którego mierzone ziarno jest większe, tzn. sita, na którym ziarno zatrzyma się w trakcie przesiewania⁴. Innym rodzajem jest średnica objętościowa. Jest to średnica kuli o identycznej objętości do objętości mierzonego ziarna⁵.

Analiza pipetowa

Analizy sedymentacyjne stosuje się dla osadów pylasto ilastych. Nie jesteśmy w stanie ich porozdzielać na sitach. Są dwie metody starszej generacji, które już powoli wypierane są przez metodę laserową. To jest analiza aerometryczna i pipetowa. Działają one w oparciu o wzór Stokes’a. Założenie jest takie, że po dokładnym wymieszaniu próbki osadu z wodą (=zawiesina jednorodna) poszczególne ziarna mineralne opadają niezależnie jedne od drugich z szybkością określoną wzorem Stokes’a. Żeby uzyskać taką zawiesinę jednorodną, musimy dobrać określoną gęstość cieczy. Nie może być za gęsta, bo nastąpią kolizje między ziarnami.

Przy analizach sedymentacyjnych musimy sobie powiedzieć o jeszcze jednej rzeczy. Zawiesina jednorodna to zawiesina, w której mamy pojedyncze cząstki minerałów ilastych, każdą oddzielnie. One mają pokrój blaszkowy bardzo małych wielkości poniżej 2 czy 4 mikrometrów. Te blaszki mają ładunki elektryczne więc bardzo łatwo tworzą agregaty. Mówimy, że osad ulega koagulacji w wodzie. Dlatego przy analizach sedymentacyjnych musimy zadbać o to by je rozbić. Wprowadza się zatem związki chemiczne, które w roztworze wodnym uwalniają jony sodu (Na⁺). Te jony są stosunkowo duże. One przyciągane przez cząstki ilaste są adsorbowane na powierzchni i powodują powstawanie sił odpychania elektrostatycznego. Mówimy zatem o dyspergowaniu zawiesiny. A taki agregat ilasty mógłby mieć nawet wielkość ziarenka piasku, gdyby nie był dyspergowany.

Takimi dyspergatorami stosowanymi w laboratoriach są np. amoniak czy pirofosforan sodu Na₄P₂O₇ . U nas w laboratorium stosuje się tak zwany colgen (mieszanina Na₆O₆O₁₈ i Na₂CO₃). Colgen likwiduje przyciąganie elektrostatyczne i czas opadania zależny jest już tylko od grawitacji oddziałującej na pojedyncze ziarno.

Jeszcze do tych analiz sedymentacyjnych. Cząstki ilaste to jest frakcja poniżej 2 mikrometrów. Dla frakcji ilastej stosuje się zatem mikrometry i nanometry. Są dużo wygodniejsze niż milimetry.

Teraz parę słów o wzorze Stokes’a. Prawo Stokes’a opisuje nam po pierwsze siłę oporu na jaki trafia ziarno poruszające się w cieczy i opisuje prawo swobodnego opadania. Ale po kolei. Przyrównujemy ziarno do kuli. Jeżeli takie ziarno znajdzie się w środowisku wodnym, w cieczy, to działa na nie wypadkowa dwóch przeciwnie skierowanych sił:

• ciężkości (P₁) w dół. P₁ = mg

• wyporu (P₂) w górę P₂ = γ_wV = ρ_wgV⁶

Łącząc te dwa wzory, otrzymujemy:

P₁ -_­ P₂= (m – ρ_wV)g.

Jeżeli skalar P₁ jest większy od P₂ ziarno porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym. Prędkość opadania rośnie, ale powoduje to pojawienie się i wzrost siły hamującej:

F_T= 6πμrv

μ – lepkość dynamiczna płynu

r – promień kuli

v – prędkość ciała względem płynu

Gdy wypadkowa sił P i siła hamująca się równoważą, to ziarno zaczyna się poruszać się ruchem jednostajnym. Ten ruch jednostajny ziarna nazywa się swobodnym opadaniem cząstek w cieczy ze stałą prędkością. Ponieważ ruch jednostajny zaczyna się prawie od razu, to można pominąć krótki okres ruchu przyspieszonego i przyjąć do obliczenia prędkości poniższe równanie:

6πμrv=(m – ρ_wV)g

Rozwiązanie równania (por. 1). (Wyjaśnić błędy w równaniu trzecim: 10^-9 > 10^-2; μ > η)⁷

Tutaj też nie podajemy faktycznych średnic ziarna, ale posługujemy się średnicą zastępczą sedymentacyjną. Jest to średnica cząstki idealnie kulistej, która ma tę samą gęstość i spada w wodzie z tą samą prędkością co cząstka rzeczywista.

Z fizyki wiemy że v = h/t. Jeżeli przyrównamy to sobie, to otrzymamy wzór na czas, po którym cząstka o danej średnicy pokona pewien odcinek drogi (3).

Po wyliczonym ze wzoru czasie, przy użyciu pipety, pobiera się określoną objętość zawiesiny i po odparowaniu, wysuszeniu i zważeniu oznacza w niej procentową zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż dT. Dzieląc wynik przez masę wysuszonej próbki użytej do analizy i mnożąc wynik przez 100 uzyskuje się procentową zawartość określonych cząstek w całej próbce. Dalsze opracowanie wyników (sporządzanie krzywej uziarnienia oraz ustalanie nazwy gruntu) przebiega jak w analizie areometrycznej.

Aparat do analizy pipetowej  - istnieje kilka wersji przyrządu od aparatu Köhna, który stanowi szklany przyrząd z pojemnikiem na wodę destylowaną umieszczony na drewnianym lub plastikowym statywie, przy pomocy którego pobiera się próbkę z zawiesiny oraz spłukuje pipetę bez używania dodatkowych tryskawek, do różnego typu prostych pipet.

Podajemy te wzory, bo to się stosuje przy analizie pipetowej. Mamy podany parametr zastępujący stałe z równania 3 nazywany parametrem beta.(4). To wszystko jest mozolne, dlatego coraz chętniej stosuje się analizy laserowe. Jest na geografii taki, ale to kosztowne i może się popsuć.

Analiza areometryczna

Teraz analiza areometryczna. Posługujemy się w niej aerometrem. To jest taki przyrząd do mierzenia gęstości cieczy. To jest szklany przyrząd, składający się z dwóch części. Na dole jest nurnik areometryczny. Na górze mamy rurkę szklaną, na której jest podziałka. Zanurza się ten aerometr w zawiesinie jednorodnej odpowiednio przygotowanej i robimy odczyt na podziałce aerometru. Gęstość będzie maleć, bo ziarenka będą nam opadać na dno naczynia. Aerometr zatem będzie spadał na dno tym bardziej, im mniejsza będzie gęstość. Na podstawie zmian gęstości będziemy znowu obliczać ile jakich ziaren tam jest. Tu akurat mamy aerometr wg Prószyńskiego. Mamy czasy podane po których należy wykonać pomiar. Zawsze musimy mieć przygotowany cylinder z wodą i dyspergatorem bez osadu. To jest nasz punkt odniesienia. Pierwszy pomiar aerometr jest na głębokości x i wskazał nam 26 s, potem po 1. 49 s. potem po 11 min 42 s i tak dalej. Ostatni wypada po 19 h 54 s. Dwa pierwsze odczyty wykonuje się w zawiesinie, żeby nie zaburzyć równowagi. Potem można już delikatnie wysunąć aerometr, w celu odczytania wyniku.

Tutaj zdjęcie pokazujące odczyt kontrolny z aerometru.

Niedługo przed analizą próbę trzeba wymieszać na mieszadle. Tuż przed samą analizą ręcznie. No i mamy cylinder z osadem . Często do prac magisterskich się to robi.

Analiza laserowa

Aparaty laserowe są analizą bardzo szybką i działająca w szerokim zakresie: 1250 do 0,16 mikrometra, bardzo wygodne. Są nawet dwa w wydziałowym laboratorium. Też przygotowuje się próbkę w postaci zdyspergowanej przy pomocy colgenu. Pobiera się próbkę zawiesiny pipetą i otrzymujemy obraz dyfrakcyjny na którym są rejestrowane zmiany rejestrowanego światła pochłanianego przez zawiesinę. Są one wynikiem sedymentacji osadu z zawiesiny. Może na czwartym roku na metodach badań minerałów i skał to zobaczymy.

Opracowanie wyników

Histogram

Wyniki analiz można zaprezentować w formie graficznej, co ułatwia wysnucie wniosków. Daje nam to pewne wyobrażenie o rozkładzie. Staramy się robić wykres. Jednym z popularnych i stosowanych często sposobów jest histogram. Na osi poziomej mamy przedziały frakcji. Najlepiej jeśli podane są w skali ϕ. Na osi rzędnych mamy częstość występowania.

Dystrybuanta

Kolejny wykres, który możemy zrobić dla rozkładu uziarnienia to dystrybuanta, która powstaje z połączenia środków przedziałów histogramu.

Kumulanta

Uziarnienie możemy przedstawić także kumulantą. Do każdego przedziału dodajemy następny i kumulujemy wartości aż do stu procent w wyniku tego sumowania.

Parę słów o rozkładzie normalnym teraz. Wykresem rozkładu normalnego jest krzywa Gaussa. Charakteryzuje się symetrią i maksimum po środku. Z jednej i z drugiej strony mamy ogony. Cechuje się maksimum w zakresie średnic przeciętnych. Próbki mogą być lepiej lub słabiej wysortowane. Słabiej wysortowane opadają łagodnie na boki. My do opisu naszych osadów wykorzystujemy własności rozkładu normalnego. Opisując naszą próbkę będziemy próbowali porównywać ją z rozkładem normalnym. Rozkładem normalnym opisywane są różne zjawiska. Wykazano, że rozkład wielkości ziaren przy kruszeniu jednorodnego materiału wyjściowego przypomina rozkład normalny. W związku z tym osad, który powstaje na powierzchni ziemi (w wyniku wietrzenia dojdzie do dezintegracji ziarnowej) powinien mieć taki rozkład normalny. Jeżeli zadziałał potem jakiś czynnik, który wskazuje na warunki środowiska (możemy mieć deflację, która wywieje drobny materiał) rozkład będzie różnił się od normalnego. Czyli my te nasze rozkłady przyrównujemy do normalnego i sprawdzamy jaki czynnik zadecydował o odchyleniu od normalności.

Mamy tutaj kumulacyjna krzywą uziarnienia. Powiedzieliśmy że kumulanta powstaje z sumowania kolejnych przedziałów i rysujemy krzywą. Ma ona w normalnym rozkładzie esowaty kształt. My w sedymentologii będziemy się posługiwać nie skalą arytmetyczną, ale skalą probabilistyczną. Chodzi o to żeby esowatą kumulantę wyprostować. Wyciągnąć te jednostki tak by wykresem rozkładu normalnego była linia prosta. Będzie łatwiej opisywać odchylenia od rozkładu normalnego. Stąd właśnie skala probabilistyczna. I my kreśląc kumulanty musimy to robić na podkładzie w skali probabilistycznej.

Jeszcze jeden sposób opracowanie wyników uziarnienia to trójkąt Ferreta. W naroża możemy sobie różne rzeczy włożyć, np. ił, pył i piasek albo piasek drobno, średnio i gruboziarnisty (por. ćw. 1).

---

1. Szamot, przepalona glina ogniotrwała. Szamot jest otrzymywany przez wypalenie w temperaturze wyższej od temperatury spiekania, a następnie rozdrobnienie i zmielenie. Znajduje zastosowanie do produkcji wyrobów szamotowych: cegieł, bloków i płyt ogniotrwałych. [wiem.pl, stan na dzień 9.03.2011]↩

2. prasowanie to rodzaj obróbki mechanicznej polegający na wywieraniu nacisku na element obrabiany [wikipedia.pl, stan na dzień 9.03.2011]. W metodzie półsuchej dodaje się wody w ilości niespełna 15% łącznej masy materiału [http://www.l-11.pk.edu.pl/pdf/Mat_Bud_wyk_07.pdf, stan na dzień 9.03.2011]↩

3. Więcej o analizie na mokro http://ztnic.ch.pw.edu.pl/pdf/sur_plas-supl-analiza_sitowa.pdf. Generalnie polega ona na przesiewaniu próbki w postaci jej roztworu. Rozpuszczalnikiem jest woda z dyspergatorem.↩

4. http://www.mm.pl/~ursua/rozne/sedymentologia.html, stan na dzień 9.03.2011↩

5. http://www.mm.pl/~ursua/rozne/sedymentologia.html, stan na dzień 9.03.2011. Podobnie średnica sedymentacyjna - to średnica kuli, która w wodzie opada z taką samą prędkością jak mierzone ziarno↩

6. Siła wyporu to iloczyn ciężaru objętościowego wypartej cieczy (γ_w) i objętości wypartej cieczy, która jest tożsama z objętością ziarna (V). Ciężar objętościowy wypartej cieczy to gęstość wody (ρ_w) razy przyspieszeni ziemskie (g).↩

7. więcej „Laboratoryjne badanie gruntów”↩