Методические рекомендации Методические рекомендации по изучению оползневых явлений минералого-петрографическим методом

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР

ВС Е СОЮЗНЫЙ НАУЧ НО-ИССЛЕДОВА ТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ГИДРОГЕОЛОГИИ И ИНЖЕ НЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ (В СЕГИН ГЕО)

Утверждены

Ученым Советом В СЕГИНГЕО

1 2 декабря 1 970 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИЗУЧЕНИЮ ОПОЛЗНЕВЫХ ЯВЛЕНИЙ
МИН ЕРАЛОГО-П ЕТРОГ РАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Москва 1 972

Сост а вили А. М . Ца ре ва, В. В . Пономарев

Н а учный редактор Г. К . Бондарик

ПРЕДИСЛОВИЕ И ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При оценке инженерно-геологических условий территорий, сложенных глинистыми породами, в районах опасных в оползневом отношении в есьма существенную роль играют минералого-петрографи ческие характеристики этих п ород. Как показали исследова ния последних лет, поведение глинистых пород в откосе во многом зависит от мине ралогического состава глинис той фракции (А. Я . Туровская, П. В . Царев, А. М . Царева и др.), а деформа ция в глинистых породах прив одит к необратимым текстурным изменениям в них.

Таким образом, исследования минер а логического соста ва по фракциям дают возможность прогнозирова ть поведение глинистых пород на склонах, а изучен ие структурно-текст урных особенностей глинистых пород - выявить зоны деформации или поверхности смещения оползн евых тел.

При изуч е нии минералого-петрографи ческим методом глинистых пород оползней Черноморского побережья в период 1 968-1 970 гг. было ус тановлено, что метод позволяет: а) определить гра ницы оползневого тела в горизонтальном и вертикальном направлениях оползневого склона; б) установить местон ахождение и мощность зоны деформации или поверхности смещения; в) выявить участки оползневых тел, в пределах которых породы ранее претерпели деформации.

В последнее время многие исследователи опол з невых явлений пытаютс я привлечь различные методы оценки состава и структуры глинистых пород с целью бол ее глубокого познания оползневого процесса для его прогноз ирования и в ыявления методов борьбы с ним. Так, было установлено, что в зоне смещения и максимальной деформации глинистых пород оползневого склона содерж ание легкорастворимых солей резко снижается по сравнению с с одержанием последних в породах, незатронутых оползнями. Местоположение этих зон легко уста на влива ется после сплошного опробова ния пород по глубине выработки методом водных вытяжек.

Однако, такое опробование целесообразно применять лишь в случае, если глинистые породы опол з невого склона содержат значительное (не менее 3-4 %) количес тво легкорастворимых солей.

Про в едение массовых м инералого-петрограф ическ их исследований не требует больших затрат средств и времени, сложного оборудова ния и спе циа льной подготовки исследова телей. Из разработанного комплекса методов оценки минералого-пет рографически х особенностей для общ ей характеристики пород оползневого склона достаточно использова ть один , наиболее простой, оптический метод, который может быть внедрен в ла бораторию любой оползневой стан ции инже неро м-геологом, знакомым с петрографическим изучением пород в шлифах.

При проведении исследов а нии может появиться не обходимость де тального изучения минералогического состава и текстурных особенностей с получением количественной оце нки этих показа телей. В этом случае тщательно отобранные и представите льные образцы могут быть направлены в специализированные петрографические лаборатории для изучения их комплексом методов с прим енением рент генострукт урного ана лиза.

При описании структурно-текстурных особенностей часто употребляются терм и ны структура (макроструктура, мезоструктура и микроструктура) и текстура (макротекстура, мезотекстура и м икротекстура). Та к как имеется несколько определений этих понятий, с ледует отметить, что под текстурой мы понимаем взаимное расположение структурны х элементов - частиц, агрега тов, блоков, а под структурой - размер, форму и с оотношение этих эле ментов (определение А. Н . Заварицк ого, 1 932).

Под макротекстурой и макроструктурой понимаются структурно-текстурные особенности, изучаем ы е визуально или с помощью лупы, увелич ивающе й в 1 0 раз.

Под м езотексту рой и мезоструктурой понимаются структурно-текс турные особенности, изучаемые с помощью поляризационного микрос копа.

Под микротекстурой и микро с труктурой понимаю тся структурно-текстурные особенности, поддающиеся изуче нию только с применением рентгеноструктурного анализ а и электронной микроскопии. Это связано с тем, что микрост руктурные элементы (элемен тарные частицы глини стых минералов и микроагрегаты) очень малы (< 5 микрон).

Мин ера лого-петрограф ические исследования оползневых накоплений проводя тся в два этапа: а) полевые, б) ла бораторные исследования.

Глава I

ПОЛ ЕВЫЕ МЕ ТОДЫ МИН ЕРАЛОГО -ПЕТРОГ РАФ ИЧЕСК ИХ ИССЛЕДОВ АН ИЙ

М инералог о-петрогра фическое изучение пород, слагающих оп олзневые склоны, сводится к описанию пород в обнажениях, шурфах, расчистках и виз уальному описанию керна из скваж ин .

Выр а ботки, проход имые при стационарных наблюден ия х за оползневыми смещениями, могут быть использова ны и для пров едения ми нера лого-петрографических исследова ний. Только в отдельных случа ях требуется проходка некоторого числа скважин и шурфов специа льного назначения.

Единственное тр е бование к проходке скважин, намеченных для м инералого-пе трогра фических исследова ний, заключается в том, что проводится сплошной отбор керна задавливаемым или обуривающи м грунтоносом. Непрерывный отбор связан с тем, что, как показали исследования предыдущих лет, зоны сдвига - зоны деформации в глинистых породах Черном орского побережья имеют, как правило, небольшую (1 5-30 см) мощность.

Если прох о дить сква жины с принятым при инжен ерн о-г еоло ги чески х исследова ниях отбором монолитов из каждой литологическ ой разности и через 1 метр внутри одной разности, зону сдвига легко пропустить. Следует очень внимательно описывать керн. Нередко даже при очень тщательном визуальном описании не удае тся отметить изме нения , с видетельств ующие о н аличии зоны смеще ния. В таких случаях требуе тся микроскоп иче ское изучение всего разреза. При полевом опи сан ии пород в горных выработках, обнажениях и по керну весьма полезным является применение очень простых и эффективных методов оценки однородности пород таких, как сплошное опробование микропенетрометром, искиметром или простым нож ом .

I.1. Документация обнажений и горных выработок

При описании о б наж ений и горных выра боток наряду с основным и визуальными характеристиками цвета, влажности, плотности, степени однородности, выветрелости, ож елезнения и органических вклин ений следует обра щать внимание н а трещи новатость пород, характер излома , слоистост ь и слан це ватость, форму, строение и состав неглинисты х включений и т.д.

Тр е буется особое внимание удел ять опис анию м акроструктур и макротекстур, для изучения которых использ уе тся естественные обнаж ения (откосы оврагов, берега ре к, горные уступы и т.д.) и специально за ложенные горные выработки (скважин ы, шурфы, расчистки).

При описании макротекстуры и макроструктуры необходимо проследить за их измене н иями от дневной поверхности вглубь откоса вплоть до невыветрелой породы. При этом детально характеризуются изменения трещ инова тости, ра скрытие трещин, их орие нта ция в пространстве, степень заполн ения и состав з аполнителя, тип, размер и форма структурных элементов, а также взаимоотношение между отдельными элемента ми.

Хар а ктеристики структурных элементов поро ды из зоны тонкого дробления сопоставляются с характеристиками элементов породы, залегающе й ниже этой зоны, так как нередко размеры и форма структурных элементов зоны тонкого дробления зна чительно отличаются от этих показа телей ненарушенной породы, з алегающей ниже.

Необходимо учитыват ь, что, если в зоне тонкого дробления макротекстура глинистых пород хорошо прояв ляется, то в свеже м разрезе н енарушенной породы макротекстура на первый взгляд каж ется монолитной и лиш ь при тща тельном рассмотрении свежего ра злома можно выделить отдельные структурные элементы, слагающие породу.

В случае, если сразу после проходки горной выработки м а кротекстура не проявляется (порода ка жется однородной, отсутствуют видим ые трещины, не выделяются структурные элементы), стенкам выработки сле дуе т дать подсохнуть в течение двух-трех дней. Если макроте кстура массивная , то проявляющиеся при ее высыхании трещины не будут иметь никакой системы ориентации в пространстве, а порода будет разбита этими трещи нами на бесформенные различные по размерам элем енты. Если же макротекстура не массивная, то после подсыхания должны проявиться структурные эле менты, ее слагающие. Как пра вило, в стенках выработки появляютс я трещин ы, позволяющие выделить отде льны е элементы и оценить основные компоненты (их форму, размеры, простран стве нн ую ориентацию). Все эти компоненты заносятся в полевой журна л, а также результа ты проверки све жего ра зреза пород н а однородность методами микропенетрометра, ручного искиметра и др.

При документации естественных обнаже н ий описывается также осыпь у подножья с указанием раз мера и формы отдельностей, слагаю щих осыпь и мощность слоя осыпи.

Керн из скв а жин исследуется не по средств енн о на месте буровых ра бот тотчас после из влечения его из грун тоноса и очистки от шлама. Острым ножом или скальпелем в керне-монолите делается вырыв по всей поверхности сверху вниз, в котором простым глазом или с помощью 1 0^х лупы можно л егко определить основные компоненты. Особо выделяются на иболее увла жн енн ые и дисперсные прослойки, отличн ые от общей массы породы.

Описание обнажений и горных выр а боток сопровождается фотогра фированием и за рисовками всех стенок шурфа и изученн ых участков обна жения. Детально зарисовываются места отбора монолитов для ла бораторных исследований. Очень важно, чтобы при зарисовках не были пропущены включения, гнезда солей, гумуса, подтеки железа. Эти детали будут использованы при расшифровке результа тов исследования. В результате полевого описания пород составляется таблица (та бл. 1).

Сведения, полученные при характеристике макротекстуры, помогут обоснован н о выявить место отбора обра зцов для деталь ного лабораторного исследования, расшифровки мезо- и микротекстуры.

I.2. Отбор образцов для лабораторных исследований

Лабораторные минералого-петрограф и ческие исследования включают определение минералогического состава и структурно-текстурных особенностей пород, а иногда и изучение солевого соста ва. Для определения минералогического и солевого состава могут быть отобраны образцы ка к с нарушенной, так и ненарушенной структурой, а для изучения структурно-текстурных особенностей необходимы только ненарушенные ориентирова нные в пространстве образ цы.

Образцы желательно отбирать в виде ориентированных м онолитов, з атем их необходимо упаковать, т.е. парафинировать для сохра нения их естественной влажности. Из обнажений, шурфов и расчисток вырезаются монолиты квадратной формы с указанием верха, а также стрелки на боковой грани монолита, направленной в верх. Стрелку следует ставить на стороне монолита, соответствующей низовой части ополз невого тела.

Монолиты отбираются из стенки выработки сплошной колонкой или в шахматном порядке, но так, чтобы иметь весь разрез шурфа.

Размер монолита определяется анализами, которые необходимо провести для этого образца. Если монолит отбирается только для ми н ера лого-пет рографическ их исследований, достаточен размер 70×70×70 мм.

Та бли ца 1

Полева я х ара кте ристика ми нерало го -п етро графи чески х особ енностей оползневых нак оп лени й

Наимен овани е выработки, местоположение и глубина

Интервалы глубин

Наименование породы и индекс

Естественная влажность

Твердость

П оказатель прочности по микропенетрации

Цвет и его изменение

Ко мп он ен ты т екстуры и с трук туры

Х а ракте р в заим освязи и кон тактов между струк турными элементами и включениями

Т рещ ин оват остъ

С трук турные элементы

Вкл ю че ния

Ориентация т рещин

Р а скрытие

Степень запол не ния

Сос та в зап олнения

Тип

Форма

Размер

Форма

Раз ме р

Состав

1 . Обнаже ния

а) верхний слой

б) св е жий разре з

в ) осыпь

2. Расчи стки

а ) верхний слой

б) с вежи й раз рез

3. Шурфы

а) верхний слой

б) св еж ий разрез

4. Скважины

Таблица 2

Н а им енование анализов, намеченных для определения свойств пород	Раз м ер обра зца, мм:		d грунтоноса, мм	Примечание
	естественной структуры	нарушенной структуры	d грунтоноса, мм	Примечание
Петрографические и физические свойства:
а) шлиф	20×20×20		86, 1 07
б) объемный вес	30×30×40
в) удельный вес		обрезки
г) влажность
д) показатели пл а стичности		обрезки
е) минералогический состав		- "-
Петрогр а фические и инженерно-геологические свойства:
а) шлиф	20×20×20
б) объемный вес	30×30×40
в) удельный вес		обрезки	1 27
г) влажность		-" -
д) показатели пластичности		- "-
е) минералогический состав		- "-
ж) прочностные свойства	d = 80 мм

Диаметр грунтоноса выбирается также с учетом показателей, которые намечено получить для данного образца (табл. 2).

При отборе монолитов грунтоносом отмеч а ется нарушение текстуры породы в 1 5-м иллиме тровой зоне, прилегающей к стенке грунтоноса. Эта зона непригодна для исследований.

После уд а ления зоны нарушенного сложения от края керна по всей его высоте тонкой проволокой отрез ается полоска , отсека юща я от него 25 мм. Полоска по высоте делится на отдельные 20- миллиметровые ш туфик и, предназначе нные для изготовления прозрачных шлифов. В связи с тем, что из каждого керна в направлении его продольной оси изготавливают 1 0-40 шлифов, образец должен быть строго ориентирова н в вертика льном направлении с указанием верха. Каждый штуфик получа ет дополнительный номер, позволяющий уточнить местоположение шлифа (рис. 1).

После отбора ш туфиков, пре дназначенных для изготовления шлифов, остаток монолита па рафинируется или сразу отправляе тся на анализы для определения показателей инженерно-геологических свойств пород. Так как для определения минера логического состава глинистой фра кции и состава легкорастворимых солей нет необходимости сохранять естественное сложение и влажность, д ля этих анализов могут быть использованы обрезки породы.

Рис. 1 . Схема отбора образцов из керна

Глава II

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕ Д ОВАНИЯ

Минер алог о-петрографические особенности обра зцов желательно исследова ть в ла боратории по изучению инженерно-геологических свойств пород, так как это обеспечит необходимую координацию рез ультатов комплекса методов исследований. Лучше всего показатели физико-механических свойств, минералогического состава и текстурных особенностей определять для одних и тех же образцов. Эт о облегчает увязку и а нализ полученных результатов.

Как у ж е отмечалось, основными минералого-петрографическими компонентами, имеющими важное значение при изучении пород из оползневых откосов, являются минералогиче ский состав и текстурные особенности.

В связи с тем, что наиболее а ктивное влияние на поведение пород в откосе оказывают глинистые минералы, концентрирующиеся во фракции < 0,005 мм, эта фракция и подвергается дета льному минералогическому изучению.

Из известных в настоящее время методов опред е ле ния ми нера логического состава глинистой фракции наиболее достоверным является метод рентгеноструктурного анализа, позволяющий получать как качественную, так и количественную хара ктеристику глин истых минералов. При мономин еральном составе или резком преобладании какого-то одного минера ла минералогическую ха рактеристику породы можно получить оптическим методом в прозра чных шлифах. Однако, эта оценка качественная, весьма приближенная и может быть использована лишь для выделен ия участков породы с одинаковым минералогическим составом и отбора хара ктерных обра зцов с целью определения для них минера логического состава рен тгенострук турны м ме тодом.

Текстурные особенности определяютс я комплексом методов (оптическим, рентгеноструктурным и электронно-микроскопическим). Д ля детального исследования оползневых склонов основным являетс я оптический метод, с помощью которого качественно изучается мезотек стура всего ра зреза глинистых пород, слагающих склон, и выделяются отдельные участки - зоны с резко отличной от основной массы породы текстурой.

Для этих участков, а такж е одного-двух образцов основной массы опре деляется количеств енн ый показатель м езотекстуры - показатель ориентации - о птическим методом. Кроме того, образцы могут быть направлены в специализированные петрографические ла боратории для получения количественных пока за те лей микротекстуры рентг енострукту рным методом и морфологических характеристик породы электронно-микроскопическим методом.

Есл и оползневой склон сложен глинистыми породами, засоле нным и легк орастворимы ми солями, то следует провести сплошное определе ние состава и содержания легкорастворимых солей методом водных в ытяж ек, изложенным в методиче ском пособии (под редакцией Е. М . Сергеева и др., 1 968).

При орга н изации м инералого-п етрограф ических исследова ний в ла бора тория х инженерно-геологических станций, осуществ ляющих стационарные наблюдения за оползнями, сле дует иметь на бор оборудования.

Работы с микроскопом можно организовать и в помещении, где проводится выполн е ние других видов анализов, но обязательным условием является хорошее дневное освещение, отсутствие работ с сухим п орошком глинистых пород и наличие вытяжного шкафа. Ж елательно для п роведения этих исследований выделить отдельную комнату площадью 10-1 2 м² (микроскопную).

Микроскоп н ая оборудуе тся поляризационным микроскопом типа МИН. Последняя марка МИН -8 вполне удовлетворяет требованиям ми нералого-петрографических исследований глинистых п ород. Хорошо иметь бинокул ярн ую лупу типа М БС-2, микрофотонасадку типа МФН -1 или МФН -2 или пленочный фотоаппарат с переходн иком, позволяющим насадить его на тубус микрос копа, и на бор иммерсионных жидкос тей .

При объеме работ 1 000-1 500 шлифов в год желательно иметь шлифова льную мастерскую, для которой необходима отдельная комната с хорошей ве нтиляцией и вытяжным шкафом.

Шлифовальная мастерска я оборудуется любым шлифовальным ста нком , позволя ющим работать с набором шлифовальных порошков марок М-7, М -1 0, М -4 и М -1 50 и должна иметь набор указанных порошков, канифоль и ксилол. П лощадь, за нятая шлифоваль ной мастерской, должна состоять из двух комна т размером по 6-8 м². В одной из комнат устанавли вается шлифовальный станок и вытяжной шкаф.

II.1. Подготовка образцов для лабораторных минералого-петрографических исследований

Поступившие в л а бораторию образцы-монолиты визуальн о описыва ются. Э то дает возможн ость оценить сохранность их при тран спортировке и герметичность упаковки. Кроме этого сра зу при описан ии намеча ются виды инженерно-геологических анализов, не обходимые для данного образц а, и уста навливается очередность вып олне ния э ти х анализов. Анализы выполняются в такой последовате льности, чтобы в процес се их проведения еще до полн ого заверше ния работ иметь возможность увязать необходимые показат ели. На пример, необходимо сопоставить между собой показатели текстуры пород, которые п о ви зуа льн ом у описанию отнесены к породам уча стк ов, не за тронутых деформациями и к порода м из зоны сдвига - зоны де формации или пл оск ости оползневого смеще ния.

Визуальное описание сопровожд а ется схе матической зарис овкой монолитов, на которой отмечаются места отбора проб для различных видов анализа . За рисовка облегчает сопоставление ре зульта тов исп ыта ний и их анализ. После визуального описания образцы подготавливаются для пе трогра фического изучения.

II.1.1. Подготовка образцов для изучения в прозрачных шлифах

В верхней части каждого ш туфика, предна значенн ого для при готовления шлифа, срезается правый уголок, что озна чает верх, а на боковой поверхности, секущей образец вкрест напластован ия и пре дназн аченной для изучения в шлифе, карандашом наносится крестик, ч то обозначает место закрепления образца на предме тном стекле. Затем заготовки оста вляются на воздухе для подс ыха ния до воздушно-сухого состояния. С подсушенных образцов снима ется скальпелем или бритвой двухмиллиметровый слой, нарушенный при разрезании его во влаж ном состоянии.

Подготовленная таким образом пластинка перед а ется в шлифова льную мастерскую.

Дальнейшие операции по приготовлению шлифа производятся в следующем порядке:

1. Высушенная пластинка глинистой породы имеет сл а бую цементацию, при обработке на шлифовальном ста нке она раскрошится. Для у к ре пления пластинка проваривае тся в ра створе канифоли с ксилолом. Во время проварки канифоль проникает в поры породы и, не на рушая структуры , уве личивает ее прочность^*).

^*) Для приготовлени я канифоли в ксилоле берется 1 кг канифоли и ра стирается в ступке до мелкого порошка. Порошок канифоли высыпается в фарфоровую кружку и заливается 1 кг ксило ла. Если канифоль по прошествии 1 -2 часов растворилась неп олностью, р аствор следует подогреть до 60-70 °С, помешивая, до полного растворения.

2. Заготовленные пластинки по одной укладывают в огнеупорные пронумерованные тигели, заливают приготовленным раствором таким обр а зом, чтобы пластинка целиком утопала в нем и ста вят на элект роплитку для проварки под тягой вытяжного шкафа.

3. Во врем я проварки необходимо следить за тем, чтобы не было бурного кип ения ра створа, так как ксилол обладает свойством быс тро испаряться. При быстром испарен ии ксилола канифоль н е успевает проникнуть в поры на нужную глубину, и образец оказывается несцементирован ным.

4. Температура подогрева раствора во время проварки должна поддерживаться все время такой, чтобы раствор находился на грани кипения.

Для этого накал электроплитки регулируется реостатом, а тигели устанавливаются не непосредственно на плитку, а н а песчаную баню.

5. Продолжительность проварки составляет 6-7 ч а сов.

6. Окончание проварки проверяется следующим образом. Каплю раствора канифоли достают концом пинцета. Если эта капля после остывания рассыпается при нажатии пальцами, проварку можно считать законченной. В случае, если в плотной породе при одной проварке ка н ифоль проникает в поры недостаточн о глубоко, проварка повторяется несколько раз.

7. Остывший после проварки обр а зец очищается от канифоли скаль пелем и подготовляетс я к наклейке на предметное стекло. Подготовка образца к наклейке на стекло состоит в следующем: берет ся стеклянна я доска толщиной 1 -2 см размером 30×30 см, омачива етс я водой или глицерином (в случае изготовления гл ин) и посыпается мелким ш лифовальным порош ком марки М-7 или М -1 0. При изготовлении шлифов из монтмориллонитовых глин применение воды не допускается, вз амен ее употребляю т смесь глицерина и спирта 1 :1 . Осторожн ым движением по доск е отшлифовываетс я одна сторона пластинки. Шлифовка продолжается до тех пор, пока пла стинка не станет совершенно гладкой.

8. Подготовленная таким образом пластинка отшлифованной стороной с помощью особо получе нн ого кана дского или пихтового бальз ама наклеивается на подогре тое предметное стекло. Для этого кусочком бальзама (на стеклянной палочке) мажут центр стекла со стороны матовой поверхности. Матировка предметных стекол прои зв одится заранее на шлифова льном станке при помощи абразивного порошка М-1 4. Н епосредств енн о после наклейки пластинки на стекло ее нужн о слегка прижать так, чтобы между поверхностью пластинки и стеклом не оставалось пузырьков воздуха. После остывания бальзам з атвердева ет и приклеивает пластинку к стеклу.

9. Приклеенная на стекло пластинка обрабатыв а ется на шлифовал ьном станке. Диск с танка сма чивается водой или глицерином (для м онтмориллон итовых глин), посыпается грубым шлифовальным порошком марки М-1 50, смоченным в воде или глицерине, и приводится в движение электромотором (600-700 оборотов в минуту). Снимают с пластинки основную ча сть породы, доводят ее до толщины - 1 ,5-2,0 мм. Для дальнейшей шлифовки порошок М-150 смывается с диска и диск снова посыпается также смоченным порошком М-1 4, которым и обрабатывается пластинка до толщ ины 0,05- 0,07 мм.

На этом обработк а на шлифовальном станке за кан чивается.

1 0. Дальше пластинка обрабатыва ется ручным способом. Для этого берется стеклянная доска, смачивается водой или глицерином и посыпается мелким порошком марок М-1 0 или М-7. Постепенным медленным движением вручную пла стинку шлифуют на доске до возможно меньшей толщины, т.е. 0,02-0,03 мм. В процессе ручного шлифования готовность шлифа проверяется под поляризационным микроскопом, чаще всего по зернам кварца (кварце вые зерна толщиной 0,02 мм под микроскопом при скрещенных николях бледно-серого цвета). Если шлиф имеет большую толщину, то цвет кварц а под микроскопом в скрещенных николях желтоватый или фиолетовый.

11 . После достижения нужн ой толщины, шлиф тщательно промывается водой и покрывается покровным стеклом. Для этого шлиф слегка подогревается на спиртовке и поверхно сть его смазывается подогре тым кана дс ким или пихтовым бальзамом. Бальзам для наклейки образца на предм етное стекло и покрытия покровным стеклом готовится следующим образом: истолченный бальзам заливают равным объемом ксилола и кипятят до получения в холодном состоянии консистенции густого ме да. Б альзам для н ак ле йки пластинки на предме тное стек ло готовитс я таким же способом, но до консистенции вара в холодном состоянии и нама тыв ается на стеклянную палочку. П ри накладке покровного стекла нужно тщательно следить за тем , ч тобы простра нство между изготовленным шлифом и покровным стеклом было целиком за полнено бальзамом и в нем не остава лось пузырьков воздуха, мешающих просмотру шлифа . За крытый покровным стеклом шлиф высушивается, зачищае тся скальпелем, п ромыва ется спиртом и документируе тся а лмазным карандашом на конце предме тного стекла. После этого шлиф считается готовым.

II.1.2. Подготовка образцов для изучения минералогического состава по фракциям

Для детальн о го изучения минера логического соста ва глинистых поро д они разделяются на фракции, каж дая из которых ана лизируется отдельно . Для ра зде ления на фракции берется навеска породы нарушенного сложения от 20 до 1 00 г. Величина навески связана с содержан ием в породе глинистой фра кции (чем порода богаче глинистой фракци ей , т ем мень ше навеска обра зца).

Для определени я минералогического состава глинистой фракции выде ля ется фракция мельче 0,005 мм, а в случае необходимости количестве нного определения минералогичес кого состава песчаных и алевритовы х зерен выделяются фракции 0,005- 0,01 ; 0,01 -0,05; 0,05-0,1 и крупнее 0,1 мм.

Фр а кции крупнее 0,1 мм выделяются ситовым способом.

II.2. Изучение минералогического состава

Общая оценка м инера логического состава глинистых пород дается оптическим ме тодом в прозрачных шлифах, оценка глинистой составляю щей - рен тгеностру ктурны м методом по фракции мельче 0,005 мм, а оценка а левр итовой и песчаной составляющих - иммерсион ным методом по соответствующ им фракция м.

II.2.1. Оптический метод

Оптическим методом в прозр а чных шлифах изучается ка чественный минералогический состав алевритовой и песчаной фракций. Состав негли нистых минера лов определяется по оптическим свойства м и морфологии зерен минералов. Как п оказа ли многочисленные иссле дован ия глинистых пород, примерно 90-98 % не глинистых включений составляют кварц и полевые шпаты, остальное кальцит, слюды, карбонаты, глауконит, хлорит, пирит, окислы и гидроокислы желе за, очень мало тя желых минералов из групп п ироксен ов и амфиболов.

М е тодика определения оптических свойств алевритовых и песчаных включений неглинистых мин ера лов изложена в работах Н. В . Логвиненко (1 962) и В. Т . Фролова (1 969). Ниже приводится таблица оптических свойств некоторых наиболее распространенны х в глинистых п ородах неглинисты х минералов (та бл. 3).

После описания неглинистых включений в шлифах оптическим методом может быть получена общая хар а ктеристика основной глинистой массы. Однако судить о составе глинистых минера лов по результатам оптического изучения можно только при моном инеральном составе глинистой фракции или преобладании в ней ка кого-то одного минерала.

При полиминер а льном составе глинистой составляющей оптический метод может быть использован только для ра счленения ра зреза на однородные слои. Однако, несмотря на малую эффективность метода при диагностике глинистых минералов, он весьма прост, полезен и н ез аменим для получения общего представления о породе.

Определение минералогического состава в шлифах основыв а ется, главным образом, на оптических свойствах (показателях преломления и двупреломления) основной массы и на отдель ных характерных особенностях сложения для ка ждого минерала. В табл. 4 приведены оптиче ские свойства отде льных на иболее распространенных глинистых минералов^*).

^*) Д ет альные характе ристики каждого из мине рал ов можно найти в раб отах М. С . Швецо ва (195 8), Р. Е . Грим а (1 95 9).

По результатам оптического изучени я шлифов разреза пород, с ла гающих опо лзневые склон ы, выделяются однородные по мине ралогическому составу слои и отдельные характерные для каждого слоя образцы дл я дет альной характеристики минера логического соста ва глин истой фракции в агрегатах ориентированных частиц. П реимущество этого метода перед методом шлифов в том, что в основе его лежит способность глинистых час тиц в процессе осажден ия ориентирова ться в силу своего чешуйчатого строе ния .

Для проведения анализа ориентированных агрегатов в п ос уду, в которой в ыпаривае тся выделенная методом отмучи вания глинистая фрак ция, помещают 1 -2 предметных стекла.

На эти стекла о се дают тонким слоем глинистые час тицы, образуя как бы монокристалл.

В имм е рсионных жидкостях по нарезанным бри твой полоскам и нитям из ориентирован ного слоя глинистых частиц определяются показатели преломления и двупреломления. По табл. 4 оценивают преобладающие в глинистой фракции минералы. Полученные таким обра зом оптические показатели усредне ны и могут несколько отлича ться от показа телей, полученных непосредственно для отдельных чистых глинистых ми нералов. Последнее связано с тем, что агрегаты, как правило, состоят из полиминеральных ра зностей. Кроме того, определение оптических показателей затрудняют такие примеси, как окислы железа и органические вещества, постоянно сопутствующие глинистым минера лам. Количественно минералогической соста в неглинистых минера лов определяется в иммерсионных жидкостях для фракции 0,25- 0,1 ; 0,1 -0,05; 0,05- 0,01 мм после ра зделения их по удель ному весу на легкую и тяжелую. При изучении легкой фракции применяются иммерсионн ые жидкости с показ ателем преломления 1 ,540-1 ,542, а при изучении тяжелой фракции часто, кроме этой основной жидкости, приходится пользова ться жидкостью с пока зателем преломления 1 ,700.

Изучен и е образцов в иммерсионных ж идкостях позволяе т определить кроме количественного состава фракций форму отдель ных зерен и характер их поверхности. Как правило, в жидкостях просматривается 500-700 зерен. Количественное содержа ние каждого м инерала опреде ляется по отнош ению числа зерен этого минерала к общему числу из ученных зерен этой фракции.

II.2.2. Рентгеновский метод

Р е нтгеновска я дифракция является физическим методом иссл едования глинистых минералов и часто использ уется совмес тно с другими физичес кими методами, такими как электронная дифракция, э лектронная микроскопия, дифференциаль ный термический и петрогра фический методы и инфракрасна я спектроскопия, для крис таллографиче ского и фазового анализа.

В основе методов рентгеновской идентификации ми н ералов лежит тот факт, что каждое кристаллическое вещество имеет характерную атомную структуру, обусловливающую появление определенной дифракционной картины. Сопоставляя дифракционную картину неизвестного мин ерала с дифракционн ой картиной эталон а, можно опре делить этот минерал (Михеев, 1 957).

Таб ли ца 3

Оптически е с войст ва негл инистых ми не ралов , расп ространенных в глинистых породах

Мине рал	Хими че ск ая формул а	Сингония	П ок азатели пр еломлени я		Пок аз ате ль двуп реломлени я N _g - N _p	Сп айн ость
Мине рал	Хими че ск ая формул а	Сингония	N _p	N _g	Пок аз ате ль двуп реломлени я N _g - N _p	Сп айн ость
Кв арц низк отемпературный	SiO ₂	Т ригональн ая	1,5 44	1 ,533	0,009	Практически не видна
Полевые шпаты плагиоклазы	(100 - n) Na [AlSi₃O₇] · nCa[Al₂Si₂O₅]	Т рик линная	1 ,525-1 ,575	1 ,536-1 ,588	0,0 11- 0,01 9	Сов ершенная по 001 и 01 0
Орток л аз ы	k [ AlSi ₃ O ₆ ]	Мон ок линн ая			0,007	- «-
Мок роклин	k [ AlSi ₃ O ₆ ]	Т рик линная			0,007
К арбонаты
Кальци т	CaCO ₃	Т ригональн ая	1 ,486	1 ,658	0, 1 72	Совершенная по ромбоэдру
Долом ит	CaMg(CO₃)₂	-«-	1 ,500	1 ,681	0 ,1 81	- «-
Сидери т	FeCO ₃	- « -	1 ,633	1 ,875	0,242	- «-
Глаук онит	k₁₁(Fe^···, Fe^··, Al, Mg)_2-3 [Si₃(Si, Al)O]OH] · nH₂O	Мон ок линн ая	1 ,590-1 ,61 2	1 ,61 0-1 ,644	0,02 - 0,032	Устанавливается редко
Хлори т	(Mg, Fe)_6-p(Al, Fe)_2pSi_4-pO₁₀[OH]₃	Мон ок линн ая	1 ,57-1 ,64	1 ,575-1 ,645	0,003 - 0,007	Весьма совершенная
Пи рит	FeS ₂	Кубическая		неп розрачный
Окислы и гид роокислы желез а		Гексагональная		обычно непрозрачный
Гематит	Fe ₂ O ₃		2,9 4 -2 ,752	3,22-2, 9 88	0,28-0,245	П о-в идимому отсу тствуе т
Гетит	Fe ₂ O ₃ H ₂ O	Ромбическая	2,303 - 2,18 5	2 ,44 7-2,304	0,119 -0 ,144	Сове ршенная по 01 0
Магнетит	Fe ₃ O ₄	Кубическая		неп розрачный		От с утс твует
Гипс	CaSO ₄ · 2 H ₂ O	Мон ок линн ая	1 ,520	1 ,529	0,009	Хорошая по 01 0 и 10 0
Слюд ы
Муск овит	KAl ₂ [ AlSi ₃ O ₁₀ ][ OH ]₂	Мон ок линн ая	1 ,552-1 ,572	1 ,588-1 ,61 5	0,036 - 0,043	Весьма соверше нн ая по 001 , несовершенная по 110 и 01 0
Био тит	K(Mg, Fe)₃[Si₃AlO₁₀][OH, F]₂	Мон ок линн ая	1 ,56-1 ,60	1 ,60-1 ,66	0,04-0,06	- «-

Таб ли ца 4

Опт и че ские свойства глини стых ми не рал ов по М. С . Ш вец ов у и Гр им у

Минералы	Хими ческ ая формула	Показат ел и пре лом ления		По к азат ели двупреломления N _g - N _p	Характерные особенности
Минералы	Хими ческ ая формула	N _p	N _g	По к азат ели двупреломления N _g - N _p	Характерные особенности
Ке олинит	Al ₄ Si ₄ O ₁₀ OH ₆ Al ₂ O ₃ 2 SiO ₂ 2 H ₂ O	1 ,553-1 ,563	1 ,3 60-1 ,570	0, 0 06	Бе лый , жи рны й на ощуп ь. Низкое двуп реломл ен ие. В шлиф е часто видны агрегаты в виде пачек
Гидро слю да (ил ли т)	K ₂ Al ₄ Si ₆ Al ₂ O ₂₀ ( OH )₄	1 ,545-1 ,63	1 ,57-1 ,6 7	0,0 2 2-0,0 55	В шлифе видны сравнительно крупные пачки со с в етлыми пестрыми инте рфе ренци онными цветами. Наблюдается пле охроиз м
М он тморилл онит	Al₄(Si₄O₁₀)₂ [OH]₄ H₂O	1 ,48 0-1 ,590	1 ,51 5-1 ,630	0,025 - 0,040	В ш лиф ах видны сра вните льно крупные в виде маз ков агре гаты с высоким дв упреломлени ем (интерференционная окраска второго и третьего порядка)
Глау ко нит		1 ,545-1 ,63	1 ,57-1 ,66	0,0 22- 0,030	Характ е рный зеле ный цвет
Хлорит	10( Mg , Fe ) O · 2 Al ₂ O ₃ · 8 H ₂ O	1 ,57-1 ,64	1 ,57 5-1 ,545	0,003 - 0,007	В шлифе при параллельных николях - зеленоватый, в скр е ще нных - низ кая интерфе ре нци онн ая окраска в светлосерых тонах; плеохроичен
В ерми кулит	Mg ₃ ( Al , Si )₄ O ₁₀ ( OH )₂ Mg _0,05 · 4,5 H ₂ O	1 ,525-1 ,36	1 ,545-1 ,583	0,020 - 0,03 0	В шлифах зеленовато - кори чнев ый, плеохроичен
П алы го рски т	H ₁₆ Mg ₂ Al ₂ Si ₇ O ₂₆	1 ,527-1 ,550	1 ,500-1 ,51 3	0,0 1 5-0 ,030	Спу т анно-в олокн истый

Дифракционный метод н е требует разрушения вещества и большого количества материала. Е го можно использовать для качественного и количественного анализа смесей глинистых минералов.

Глинистые минерал ы имеют свои особенности, отличающие их от других кристаллических веществ, исследуемых рентгеновскими методами. Их исследование осложнено на личие м структурного подобия многих глинистых минералов, а та кже тем, что многие глин истые минералы обнаруживают отклонения от строгой тр ехмерной периодичности.

Д ифра кционная ка ртина от глинистых минералов ха рактеризуется многими пере крытиями линий в результа те их низкой симметрии, малой интен сивностью линий, в частности, н а больших угла х, где их трудно отличить от фона. Линии на малых углах имеют большие d - расстояния. Характерными для глинистых минералов являются сильная преимущественная ориен тация, уш ирение профилей линий вследствие малого размера кристаллитов, ра зличный уровень фона по обе стороны линии, асимметрия линий за счет дефектов структуры и другие необычные особенности, которых нет в хорошо ок ристаллизованн ых вещес тва х.

Для проведения ре н тген овского анализа предназначены рентгеновск ие аппараты: УРС- 55, У РС-70-К-1 , УРС-60, УРС-50 И, УРС-50ИМ , ДРОН -1 (три последних на зываются дифрак тометра ми) . В первых трех ап па ратах для ре гистрации рентгенов ских дифракционных отражений используется рентгеновская камера с фотопленкой. В последние годы рен тгеновский метод был значительн о усовершен ств ова н путем примене ния счетчиков (гейгеровского, пропорциона льного, сци нти лляционн ог о), которые в зна чительной мере вытесняют фотогра фические методы. П ри а нализе глинистой фракции фотографическим методом образцы готовят в виде цилиндрических столбиков диаметром 0,5 -1 мм или плоских п ре па ра тов из ориентирован ны х и не ориентиров анных час тиц. В дифрак тометре используют плоские обра зцы. Ориентиров анные препараты можно приготовить различными сп особами: осаждением на стеклянную пластинку из суспензии, центрифугирован ием диспергирова нн ой глины, одноосным сжатием глинистой пасты между двумя п ластинками под прессом и т.д. Стеклянные пластинки с орие нтиров анным слоем глины устанавли ваются непосредственно в дифрактометр, и ли ориентированный слой, о тделе нный в виде тонких полосок лезвием бе зопасной бритвы, помещае тся в рен тгеновскую камору ( Nagelschimdt , 1941).

Абсолютно произвольную ориен т ировку частиц в обра зце глины получить намного сложнее, чем доста точно хорошую ориентировку. Неориентированные образцы в форме столбика для ре нтгеновского метода приготавливаютс я следующим способом : сухой п орошок насыпают в тонкостенные капилляры при легком постукивании для уплотнения порошка. Плоские неориентирова нные образцы для дифрак том етра т рудно приготовить. Сущес твуют особые способы приготовления образца либо пут ем смешивания его с раз личными дезориентирующими вещес твами ( Engelhardt , 1 955; Дьякон ов, 1 963; Brindley , 1 961 ), либо путем специального приготовления образца легким пре ссова нием его в держателе (кювете) и выравнивание м шерохова той поверхностью пластинки ( Norrish , 1 962).

В связи с тем, что некоторые глинистые минералы име ю т один аковые или близ кие межплоскостные расстояния , для разделения их на дифрактограммах необходимо проводить предваритель ную обработку исследуемого образца (насыщение глицерином, прока ливание при t = 600° , обработка HCl ).

Посл е получения рентгеногра ммы производят ра счет углов отражений θ , а затем по специальным таблица м (Гилл ер, 1 966) опре деляют межплоскостные расстояния d , необходимые для идентификации минералов.

Измерение расстояний между рефлексами на рентгенограмме производится с помощью комп а раторов или специальных линеек. Техника вычисления по рентгенограмме угла θ сравнительно проста, благодаря прямолинейной зависим ости между θ и расстоянием между рефлексами ( - постоянная величина для камеры д а нного радиуса). При этом необходимо учитыв а ть различные погрешн ости, связ анные с техникой эксперимента (за счет ширины линии, поглощения образцом рентгеновских лучей, измене ния размера пленки в результате обработки и т.д.).

При ди ф рактометрическом методе отсчет углов θ производится н епосредственно, а оценка интенсивности отражений является количественной.

Для диагностики глинистых минералов с по м ощью рен тгеновс кого анализа часто вполне достаточно сведений о базальных межплоскостных расстояниях.

Рис . 2. Диф ракто граммы малоугловых областей мономинера льных образцов.

У с ловия съемки: CuKα , Ni - ф ильтр; 35 к в, 1 0 ма; щели, 1, 0,5; 0,25×8 мм; 100 имп/сек ; 1 град/ мин, Rc - IV ; а) каолинит положений; б) пал ы гор ск ит черкасский; в) иллит; г) Na - аскангель; д) полиминеральный образец № 268 1 г. Х оста (к ао лин ит + гид рослю да + хл орит + кв арц + к альцит + полевой шпат)

Т а блица 5

Значени й d_oolA^o и интенсивности ( J ) базальн ы х рефлексов основных групп глинистых минералов

Каолинит			Ги дрослю да		М о нтмориллонит		Хлорит		П алыгорскит			Сепиол и т
ool	J	d	J	d	J	d	J	d	hko	J	d	hko	J	d
00 1	1 00	7, 1 5	1 00	1 0,0	1 00	1 2,5-1 5,5	70	1 4,0	11 0	1 00	1 0,5	110	1 00	1 2,3
002	1 00	3,57	50	5,0	1 5	6,2-7,8	1 00	7,0	200	60	6,45	1 30	40	7,6
003	56	2,37	70	3,33	40	4,2-5,2	40	4,8	1 30	40	5,44	060	1 00	4,6
004	35	1 ,76	25	2,50	4 0	5, 1 -3,9	1 00	3,5	-	-	-	-	-	-
005	20	1 ,43	60	2,00	25	2,5-3, 1	50	2,82	-	-	-	-	-	-
006	-	-	30	1 ,66	-	-	-	-

На рис. 2 и в табл. 5 при в едены дифрактограммы и значения базальны х рефлекс ов осн овных групп глинистых минералов.

Ниже приводится характеристика мин е ралов глинистой фракции по их рентгенограммам .

Минералы группы каолинита. На дифра к тограмме ориентировоч но го препа ра та каолинита резко выделяются база льн ые рефлексы (001 ) и (002), к оторым соответствуют межплоскостные ра сстоя ния 7,1 4 и 3,57 . Для того, чтобы не спутать их с базаль ны ми рефлексами (002) и (004) хлоритов с межплоскостными расстояниями 7,0 и 3,5 А , необходимо рас творить хлориты в тепл ой HCl или нагреть образ е ц в течение 30 минут до темпе ра туры 600°, при которой каолиниты переходят в аморфное состояние, а хлориты не изменяются.

Мин е ралы группы мон тмориллонита. Положение общих линий на рентгенограмме не з ависит от состояния вещества (влажности и т.д.), базальные же отражения м онтмориллон ита сильно изменяются при этом. Система полос hk х арактериз ует ин дивиду альность минерала, а линии ool - его состояние. Положение рефлексов ool у м онтмо риллонита измен яется в связи с изменением ра сстояний между слоями, которое зависит от обменных катионов, от природы и количества жидкости, находящейся в межслоевы х промеж утках, от природы самого образца . Для определения монтмориллонита используют обра зцы, насыщенные глицерином или этиленгликолем. Это приводит к появлению на рентгенограм ме рефлекса 1 7,5 . Иногда такая картина характерна для хлорита. В этом случае необходимо нагреть образец до 600°, при это м для хлорита межплоскостное рас стояние d становится р а вным 1 4 , а для монтмориллонита 1 0,0 .

Минералы группы гидрослюды. На дифрактограммах орие н тированных обра зцов присутствуют базальные отражения п ервого порядка с d ~ 10 и пол н ый ряд отражений: 5,0; 3,3; 2,5; 2,0 и т.д.; второй порядок часто бывает слабым. Нагревание до 600°, слабая химическая обработка и насыщение глицерином не изменяют положения рефлексов.

Хлоритовы е минералы. Хорошо диагностируются по отражению (00 1 ) с d = 1 4,0 и отражениям с d = 7,0; 4,7; 3,50; 2,8 0 . Межплоскостные расстояния при нагревании образца до 600 ° , при насыщении глице рином и колебаниях влаж ности не изм еняются.

Высокодисперсные неглинисты е м ин ера лы ( кварц, п олевые шпаты и др.) почти всегда присутствуют в глинистой фракции, это всегда отражено на рентгенограммах.

Для полиминеральных о б разцов характерна сложная дифракционная картина, состояща я из наложенных дифракцион ных картин отдельных минералов.

Следу ет отметить, что получение качественн ых диф рак тограмм т ре бует точной регулировки гониометра, выбора оптимальных условий съемки и т.д. Эти вопросы подробно ра ссмотре ны Хе йк ером и Зев иным (1 963), П эрриш (1 965) и др.

Исследования глинистых пород часто тр е буют не тольк о каче ственног о, но и количественного минералогического анализа, так как то чное к оличественное знание присутствующих минералов имеет зача стую ре шающе е значе ние для объя снения инжене рно-геологическ их процессов.

К оличествен ное определение кристаллических минер алов в полик омпонен тны х смесях основано на том, что интенсивности характерных для каждого мине рала дифракционных отражений пропорциональны (с уче том поглощения и других факторов) концентрации минерала в см еси.

Существу е т ряд методов количественного рентгеновского анализа : мет од ста нда ртных см есей, метод вне шнего ста нда рта, метод внутренне го стан дарта, метод добавок и т.д. Эти методы, а также практическ ие ре комен дации рассм отрен ы, в ча стности, в работе В. В . Поно марева (1 970).

Следует отметить, что количественные методы минералогического а нализа являются доста точно трудоемкими.

II.3. Изучение структурно-текстурных особенностей пород

При изуче н ии глинистых о ползневых накоплений структурно-текстурную харак теристик у п олуча ют как для пород, испытавших деформации в ходе оползн евого смещения, так и для пород ненарушенного сложения .

Во ВС Е ГИН ГЕО разра ботан комплекс методов качественной и количе ст венной оценки текстурных показ ателей глин истых пород (Райтбурд, Царева, Понома рев, 1 968). В табл. 6 перечислены методы разработанного комплекса и их возможности.

Таблица 6

Ко м плек с методов дл я изучения структурно- текстурных ос обенностей глинистых пород

Метод	Условия изучения	Получаемые характеристики
Визуальная ха рак теристика	Визуа л ьное списание породы в полевых условиях в горных выработках, в лаборатории по образцам	а) Качественная характеристика макроструктуры и макротекстуры; б) Выбор образцов для изучения мезоструктуры и мезотекс т уры .
О пт ический	Изуч е ние породы в прозрачных шлифах под микроскопом с применением микронасадки МФ Э-1 или микрофотометра Берека	а) Х арактеристика мезопор; б) Качественная характеристика мезоструктуры и мезоте к стуры; в) Полуколичественная характеристика мезотекстур ы; г) Выбор образцов для изучения микротекстуры
Рентгеноструктурный	Изучение х арактера пространственной ориентации глинистых ча стиц и агрега тов с построением полюсн ых фигур	Количественная оценка микро т екстуры
Электронно-микроскопи ч еский	а) Изучение г л инистых частиц и агрегатов в суспензии	а) Характеристика микроструктурных эле м ентов
Электронно-микроскопи ч еский	б) Изуч е ние пространственной ориентации ча стиц и агрегатов с помощью реплик	б) Качественная х а рактеристика микротекстур

Примечан ие . Электронно-микроскопический метод ра з ра ботан в М ГУ Г. Г . Ильинской

II.3.1. Визуальное описание

При визуальном опис а нии поро д с естественной влажностью должное вниман ие уделяется особенностям макротекстуры. К таким особенностя м относятся: а) окраска обра зца , ра вномерность ее распреде ления и измен ен ия; б) крупные (до 1 см и больше) пустоты , их форма, ориентация, хара ктер стенок; в) наличие включе ний, их характер, состав, форма, взаимодействие с окр уж ающ ей массой; г) на личие выцветов окислов железа, солей и т .д .

Визуальная характеристика макротекстуры и макроструктуры дается на основании иссл ед ования внешней поверхности образца , а затем оп исывается свежий разрез. Результаты изучения записываются по следующей форме (табл. 7).

Таблица 7

№ п.п.	№ образца	Вид испытания	Цвет породы и изменение его по высоте образца	Основные показатели макротекстуры и макроструктуры	Местонахождение в образце пустот, включений, выцветов

П осле визуальн ого описа ния образцов из пластинок, подготовлен ных для оптического изучения мезот екстуры, изготав ливаются прозрачные шлифы.

Перед оптическим изучением изображение шлифа с помощ ь ю увеличителя проектируется на белый лист бумаги.

Наиболее эффективно увеличение шлифа в 8- 1 0 раз, большее увеличение дает нечеткие границы сте нок пор, а меньшее - лишает возможности уловить мезопоры размером 0,05 мм. Так ой просмотр позволяет оценить хар актер распределения, размер, форму и направление ориентации пор крупнее 0,05 мм практически всего шлифа.

При анализе шлифа по форме пор , характеру их стенок, ориентации, трещ ин оватост и вокруг пор и по другим приз накам легк о отличить естественные поры образца от пустот, обра зовавшихся при изготовлении шлифа. П о негативному снимку опреде ляется удельное количество пор раз мером крупнее 0,05 мм, приходящихся на единицу площади. Такое определение проводится следующим образом. На листе бума ги выреза ются ква дра ты с учетом увеличения, соотве тствующие площади шлифа в 1 мм , 2 мм и т.д. Эти квадратные рамки накладываются на нужный участок фотографии шлифа и внутри него подсчитыва ется число пор и распределение их по размера м. Поры делятся на четыре основн ые группы по разме ра м: 1) крупнее 0,5 мм; 2) 0,5 -0,3 мм; 3) 0,3 -0,1 мм; 4) 0,1 -0,005 мм.

Общее колич е ство пор на единицу площади п ринима ется за 100 %. Исходя из этого, подсчитывается п роцентное содержание пор каждой группы.

Описание пористости позвол я ет выделить уча стки породы, претерпевши е структурно-текстурные из менения в процессе деформации, к оторые не избежно приводят к перераспределен ию размера, форм ы и п ростра нственной ориентации мезоп ор.

Если порода содержит значительное количество прозрачных неглинист ы х включений различной формы (алевритовые и мелкопе счаные включения кварца, полевых шпа тов и др.), оцен ка мезопористости по нега тивным снимкам затруднена. Это связано с тем, что зерна прозрачных включений на негативном снимке могут быть прин яты за мезопоры.

II.3.2. Оптический метод

М езотекстура породы исследуется в шлифах с п омощь ю мик роскопа . Из учен ие начинают с общей ка чес твенной хара кте ристики тексту рны х особенностей породы при увеличении в 80 -100 ра з, включая стру ктурн ые и текстурные характеристики нег лини сты х (песчаных и а ле вритовых) включен ий . Описываются их размер, форма зерен, распреде ление в глинистой массе , характер взаимосвязи между собой и с цемен тирующе й глинистой массой. Большое в нимание уделя ется оценке хара ктера и направления простран ственной ориентации ка к п есчаных и алев ритовых зерен, так и струк турных элементов (частиц, агрега тов и блоков) самой глинистой массы.

После общей х а рактеристики структурно-текстурных особен носте й на чинается дета льное качественное изучение текстуры осн овной глинистой м ассы, так как п ри де формации породы изменен ия происходя т в первую оче редь именно в ней. Чтобы оценить однородность мезо структуры и ме зотек стуры глинистой ма ссы всего образца в шлифе, просматривае тся несколько вертикальны х и горизонтальных сечений. При этом выделяются участки, мезотек стура которых отл ичается от мезотекстуры остальной площади шлифа. П ри выделе нии таких уча стков опреде ляется их форма, положение по отношению к направлению, принятому при данном исследовании за исходн ое (направление слоистости, откоса, ось выработки и т.д.).

Для характеристики мезо- и, ч а стично, микротекстуры основной глинистой массы шлифы из учаются при увеличении 600-900 раз. При этом исследуются особенности структурных элементов (отдельных глинистых агрегатов и блоков), поз воляющие оценить мезоструктуру и мезоте кстуру, а именно: оцениваются их ра змер, форма, взаимосвязь, характер контактов, направле ние преимущественной ориентации, количество осей ориентации и, по воз можности, угол между отдельными осями. Все эти показ атели определяются непосредственным и измерениями в шлифах.

П одробная качествен ная характеристика глинистой массы в шлифах дает возможность довольно детально оценить строение породы и вы делить участки, на которых порода претерпела какие-то на рушения или из мене ния, вы зва вшие перестройку пространс твен ной ориентации отде льн ых структурных элементов.

Даль н ейшее детальное изучение структурно-текстурных особенностей глинистой массы на этих участка х позволит в п ервом приближении определить вид де формаций, который претерпела порода.

Изуч е ние мезотек ст уры выде ленных участков можно проводить с получение м количественной оценки показ ате ле й мезотекстуры .

В основу получения количественных показат е лей текстуры глинистых пород оптическим методом положена оптическая аниз отропность кристаллов глинистых минералов и ориентированных микроагрегатов, ведущих себя в скреще нных николях как один псевдокристалл.

Колич е ственное определение показ ате ля ориента ции выполняе тся с помощью микрофотом етра Берека или микронасадки ФМ Э-1 при относите льной одн ородности мезо- и микротекстуры показатель ориентации опреде ляется по точкам в вертикальном направлении с верху вниз в центре шлифа и в горизонтальном направлении справа налево также в центре шлифа. В случае пос лойной неодн ородности ориентации гл инистых частиц и агре гатов для в ыделяющихся прослоек промеряетс я еще один горизонта льный разрез и зна чения показателя для э того разреза даются особо с указанием ме стоположения прослоя в образце. В за висимости от однородности текстуры и раз меров микроагрегатов и блоков применяется увеличение в 1 60-480 раз.

Во время замеров показат е ля ориентации в каждой точке шлиф должен быть строго закреплен держателями все время до получения полной характеристики орие нта ции. После определения показателя ориентации в данной точке шлиф перемещается в нужном направлен ии снизу вверх или справа нале во так, чтобы нижний или правый край изученн ого поля зрения оставался вверху или слева наблюдаемого поля. Таким образом точка за точкой определя ется показатель ориентации по ра зрезам, намечен ны м для исследования. В средне м, в зависимости от увеличения в вертикал ьном направлении описывае тся тридцать-пятьдесят точек, а в горизонтал ьн ом - до восьмиде сяти. Эта операция занимает не более получаса. В каждой точке определяется яркость поля в п оложения х полного погасании и полн ого просветления. Показатель ориентации С глинистых частиц и агрегатов опре де ляли по формуле:

где T_min - значение яркости пол я в положении п ога сан ия, полученное с помощью визуального микрофотометра Берека или ФМ Э-1;

T_max - значение яркости поля в п оложе нии полного просветления (Райтбурд, 1 958).

Коэффициенто м C для шлифа в целом в случае од н ородн ой мезо- и микротекстуры является среднее арифметическое значение C от зн а чения его во всех точках. В случае, когда отмечается послойная неоднородность, сре днее значение коэффициента C определялось для каждой отдельной прослойки.

Коэффициент C хорошо отражает действительную степень ориентации глинистых частиц и агрегатов и дает хорошую сходимость с показателями ориентации, полученными рентгеновским фотографическим и дифра к тометрическим метода ми.

В т а бл. 8 приводятся краткие характеристики мезотекстур, наиболее часто встречающиеся в глинистых породах, слагающих оползневые склоны Черноморского побережья, а также характеристики измен ении мезотекстур в ходе деформаций пород при оползневых смещениях.

Таблица 8

Характ е р т екстурных из мене ний, вызванных в не которых глинистых породах о полз невыми смещениями

Тип текстуры		Сх е ма тическое и зображение те ксту ры породы in situ	Кратк а я х арактеристика те кстуры	Показатель ори ен тац ии C	Схематическое и зо бражение текстуры, сфо рмировавш ейся при оползневом смещении	Кра т кая характер исти ка изм енен ий текстуры, в ызванных опол зневым смещением	Показатель ориента ц ии С		Примечание
по гранулометрическому составу	по пространственной ориентации	Сх е ма тическое и зображение те ксту ры породы in situ	Кратк а я х арактеристика те кстуры	Показатель ори ен тац ии C			породы	зоны смещения	Примечание
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Пелитовая	Беспорядочная		Преимущественная простра нственная ор иентация структурных элемен тов отсутствует	0- 1 5		На фоне беспо сад очного расп ре деления в пространстве отд ельных структурных эл ементов в зоне оползневого смещения появляются участки, нередко прерывистые, с упорядоченн ым располож ением структурных элеме нтов. Мощ ност ь участков различн а от 5 до 30-40 см	0- 1 5	50 - 85	Структу рны ми элементами, слагающими пелитовую текстуру глинистых пород являются отдельные глинистые частицы и агрегаты размером до 10 μ
	Упоряд о ченн ая		Ос н овн ая ч аст ь структурн ых элементов имеет преимущественную пространственную ориентацию. Ось ори ен тации ч аще всего перпендикулярна н аправ лению слоистости породы	50 - 85		В зоне смещения отмечается большая дисперсность материала, лучшая ориентация , че м в о сновной породе, и направление оси ориентации в зоне смещ ения отклоняется от оси ориентации основной м ассы породы на угол, равный углу н аклона з он ы смещения	50 - 85	70-95
	Блочная		Отдельн ы е структурн ые элементы соб ран ы в блок е раз ме ром 20- 60μ. Внутри б локов ра сполож ение структурных эле ментов может б ыть либо хаотическим, либо с преимущ ественной прос транственной ориентацией	1 0-50		В зоне смещения наблюдается разрушение блоков и образование прерывис т ых участков с упорядоче нным располож ением структурных элементов	1 0-50	30 - 70
	П ослойно -уп орядоченная		Расположение структурных элементо в упорядоченн ое, и меет преим ущ ественную пространственн ую ориентац ию. О днако вся масса раз бита на отдельные прослойки мощ ностью от 2 д о 1 0 мм. Меж ду прослойками могут быть присыпки мучн истого песка или п росто гладкие поверхности	в прослоя х 50-85		В послойно-упорядоченных глинах опол з нево е смещение проходит чащ е всего по отдель ным прослойкам. Смеща ются либо прослойка по прослойке, либо по п рисы пка м му чнис того песка	5 0 -85	50-85
	Смешанная		Распределение структурных элементов различно , ч асть из них собра на в блоки, б еспорядочн о разброса нн ые в глинистой массе. Сама глиниста я масса может имет ь упоря доченн ое или беспорядоче нн ое пространственное положение	Меняется в широких предела х		В зоне оползневого смещения появляется прослойка с четко выраженной пространственной ориентацией частиц вдоль зоны смещения. Мощность прослойки колеблется в широких пределах от 1 до 30-4 0 см	Меняется в ш и ро ких предела х	50-85
Алевро - пелитовая	Беспорядочная		Преиму щ ественная простра нст вен ная ори ентац ия структурных элементов в породе отсутствует. Отмечается наличие ориентированных глинистых пленок вокруг песчаных и алевритовых включений	0-20		На фоне беспорядочного пространственного распределения структурных элементов намечается прерывистая зона сме щ ения с уча стками упорядоченного ра сположе ния глинистых структурн ых элементов. М ощность зоны 5-25 см	0-20	50-70	Структурными элементами, слагаю щ ими алевро-пе литовую тек сту ру гли нистых пород, я вляютс я отдельн ые глинисты е частицы, глинистые агрегаты размером до 10 μ и алевритовые частицы неглинисты х минералов
	Упорядоче н ная		Отмечается четкая преимущественная ориент а ция глинистых структурных элементов, что в меньш ей степени распространяется на але вритовые	50 - 85		В зоне смещения отмечается большая дисперсность мат е риа ла, более совершенна я пространственна я ори ентация, ось орие нтации структурных э лементов в зоне смещения отклоняется от оси орие нтации породы на угол, р авный углу наклона зоны смещ ения. Мощность з оны смещ ения до 30 см	50-85	70-95	Показатель ориентации определяется только для глинистых участков
	Послойно-упорядоченная		Отме ч ается чередование прослое к глинистого и алевритового состава раз личной мощн ости от 1 до десятков сантиметров, внут ри прослоев, к ак правило, п ространственная ориентация структурных э лемен тов имеет упорядоче нный характер	50 - 85		В послойно-упорядоченных текстурах зона оползневого смещения проходит чаще всего в глинистых прослойках ближе к контакту с алевритовым и . Выдел яется зон а смещ ения по боле е совершенной ориента ции по отнош ению ос и ориентации основной массы на угол, равный углу наклона зоны смещения	50 -8 5	70-95
	Пятнистая		Неглинисты е структурн ые элем енты распределяются в пространстве в виде сгустков - пятен концентрац ии. Глинистые структурные элементы н аполн яют промежутки меж ду э тими сгустками. Пространственная ориентаци я в них может быть ка к упорядоче нной, так и беспорядочной	М еняется в широких предел ах		Зона сме щ ения проходит, к ак правило, по глинистым прослойкам, ч аще всего обходя участки концен тра ции неглинистого материала, ре же ра зруш ая их. В зоне смещения н аблюдается упорядоченн ое п ростран ственн ое располо жение отде льных структурных э ле ме нтов. Ч асто ориентированные прослойки вдоль зоны смещ ения имеют прерывистый характер	М еняе тся в шир оки х пределах	70-80
			Текстуры псаммо-алевро-пелитовая и псаммо-пелитовая аналогично текстуре алевро-пелитовой делятся на 4 типа по характеру пространственной ориентации структурных элементов. Показатели ориентации С для каждого из типов двух последних текстур соответствуют показателям аналогичных типов алевро-пелитовых текстур			Структурными элементами, слагающими псаммо-алевро-пелитовую текстуру являются отдельные глинистые частицы, агрегаты размером до 10 μ, алевритовые и песчаные частицы неглинистых минералов, а псаммо-пелитовую - глинистые частицы агрегаты до 10 % и песчаные зерна

С помощью р е нтгеновского метода можно получить полную количественную характеристику показа телей текстуры глинистых пород.

II .3.3. Рентгеноструктурный метод

Возможность изучения кристаллографической ориентации зерен поликристаллического материала з а ложен а в основе самого метода рент ген ост рук турного анализа поликристаллов.

Крист а лл по отн ошению к рентгеновским лучам играет роль дифракционной решетки с огромным числом штрихов. Рентгеновские лучи, прой дя через монокристалл, дают на фотопластинке совокупность дифракционных пятен. Расстояния между периодически повторяющимися в пространстве системами а томов, образующими крис таллическую решетку, определяют геометрию дифра кционной картины.

При исследовании поликристаллических обр а зцов, состоящих из бесконечного множества хаотически расположенных зерен - монокристаллов, дифрагированные лучи образуют в пространстве непрерывную поверхность конуса с углом 2θ_hke от оси, с которой совпадает направление первичного луча ( θ_hke - угол отражения от какой-либо кристаллографической системы плоскостей ( hke ).

Если такой конус пересечен фотопленкой, расположенной в плоскости, перпендикулярной н а правлению первичного луча, на ней зафиксируется концентрич еская окружность, центром которой будет след первичного пучка. Пос кольку систем атомных плоскостей ( hke ) много, то на рентгенограмме получается сист е ма таких концентрических окружностей.

В случае, если в образце имеется возникшая по како й -либо причин е преимущественная ориентировка кристаллов одной из криста ллографических систем плоскостей ( hke ), тогда не весь конус с углом 4θ_hke будет заполнен отражен н ыми лучами, а только та часть его поверхности, для которой нашлись соответствующим образом по отн ошению к первичн ому рентгеновскому пучку расположенные плоскости ( hke ).

Таким образом, наличие пр е имущественной ориен тации кристаллографических плоскостей может проявиться в общем усилении, ослаблении или отсутствии линий рентгенограмм при изменении положения образца по отношению к па дающему рентгеновскому лучу.

Удобно рассмотреть наличие преимущественных ориентировок с помощью стереографической проекции (см . р ис. 1). Поликриста лл п омещает ся в центр сферы, а кристаллографические плоскости ( hke ) зам еняются нормалями к ним.

Тогда нор м али к плоскостям ( hke ) поликристалла при перес е че нии с воображаемой сферой оставят н а ней каждая свою точку выхода.

В случае, е с ли кристаллы не имеют преимуще ственной пространственной ориентации, эти точки (выходы нормалей) будут равномерно расположе ны на сфере; если имеют - на сфере появятся ан омалии. Для удобства оценки пространственной ориентации рассматривается не распределение нормалей на сфере , а беретс я экваториальная проекция, н а которую проектируютс я все точки выхода нормалей верхней полусферы.

Рис. 3. Принцип стереографической проекции

А′ и В′ - стереографические проекции точек А и В на сфер е. Плоскость образца с овпадает с плоскос тью проекции. Линии а и в - нормали к плоскостям решет ки

Как пока з ано на рис. 3, «а» и «в» являются нормалями к плоскост ям решетки образца, плоскость которого совпадает с плоскостью проекции. А, В - выходы нормалей на с фере, а А′ и В′ - стереографические их проекции при проектировании из точки Р южного полюса сферы.

Если таким образом спроектировать все выходы норм а лей к криста ллографическим плоскостям hke сф е ры на стереографическ ую проекцию, получи м полюсную фигуру, х арактеризующую ра спределение ориентировок в п ространстве.

Это распр е деление полюсной плотности (норма лей к плоскос тям hke ) связа но с экспериментально регистрируемой интенсивностью отражений ( hke ) на рентгенограммах или дифрактогра мма х.

Построение полюсной фигуры при фотографическом методе рентгеновского анализа очень трудоемко и требует не менее 1 0 снимков, т.е . приходится проходить интервал в 90° съемкой через 1 0° или еще чаще.

Ц . М . Райтбурд (1 958, 1 960, 1 962) была разработана методика полуколичествен ной оценки аксиальных микротекстур глин без построения полюсной фигуры, а путем съемки двух рентгенограмм. Это возможно в том случае, если направление оси ориентации известно. Первый снимок получается при ус ловии, когда обра зец установлен так, что ось ориентации перпендикуля рна направлению рентгеновского луча и второй - ось ориентации параллельна рентген ов скому лучу. С помощью методики можно получить полуколичественные показа тели текстуры: С - степень ориентации ( , где J_max и J_min - максимальная и минимальная интенсивности кольца р е нтген ограммы ( ool ) , оцениваемые виз уа ль но) и угол разброса текстуры α , х а рактеризуемый половиной угловой области по кольцу рентгенограммы, в пределах которой J^ool > 0,75 J^ool_max .

В последние годы стал широко применяться рентгеновский дифрак т ометрический метод изучения текстур, позволяющий:

а) с большой скоростью строить полюсные фигуры, которые полностью характеризуют пространственное распределение кристаллитов относител ь но любого заданн ого напра вления, например, направления приложения нагрузки;

б) вводить количественные показатели текстуры, что особенно важно для изуче н ия изменений текстур при различных деформа циях;

в) изучать изменения микротекстур непосредственно в процессе воздействия нагрузки на специ а льно ра зработанных приставках;

г) полностью автоматизировать процесс получения всех данных.

Гео м етрия съемки текстуры дифрактометрическим методом («на отраж ение») приведена на рис. 4. Для изучения текстур глин используется специальная приставка к дифрактометру (Пономарев, 1 963; Пономарев, Райтбурд, 1 966), в основу конструкции которой положена приставка института ЦН ИИЧермет (Бородкина , 1 958), но с изменениями держателя образца, учитывающими особенности глинисты х мине ралов.

Рис. 4. Геометрия съемки текстуры дифр ак том етрическ им методом («метод на отражение»)

В настоящее время диф ра ктометр Д РОН-1 комплектуется текстурной приста вкой ГП- 2, однако для работы с глинисты ми мине ралами требуется переделка всей конструкции держателя образца из-за перекрытия малоугловой области отражений, существенной для глин.

Как видно из рис. 4, н а клоны α и вращения β , осуществляемые с помощью приставки, позволяют з а фиксирова ть полную картину ориентации и построить полюсную фигуру. При этом ведется автоматическая запись дифра гируемой интенсивности для каждого значения α в интер в але углов β от 0 до 360°. Время, необходимое для построения полной полюсной фигуры (с учетом в н есения попра вок на поглощение), п римерн о 2-2,5 часа.

При исследов а нии текстуры методом наклона нужно использовать пучки с большой горизонтальной расходимостью, для чего используется дополните льная узкая щель перед образ цом. Так, например, для линии 002 каолинита высота осве щаемой части образца должна быть не боле е 1,5 мм.

При измене н ии полож ения образца при наклонах приходится вводить поправки н а поглощение рентгеновских лучей в образце и дефокусировку. Поправочный коэффициент определ яется на образцах того же состава, но лишенных текстуры. Запись проводится в тех же условиях, что и для исследуе мых образцов.

В д а льнейшем каждая записан ная интенсивность на дифрак тограмме должна быть прокорректирована с уче том поправочного коэффициента. Для определения истинной интенсивности измеряется фон после изменения угла θ_hke примерно на 2-4° при различных углах наклона и затем эти значения вычитаются из интенсивности рефлекса hke исследуемого образца.

Запись текстурдифрактогр а мм производится следующим образ ом. Наклоны образца осуще ствляются вручную через 5-1 0°. Это соответствует прохождению по ра диусу полюсной фигуры от центра. Образ ец вра щается в своей плоскости, при этом регистрируются точки по концен трическим круга м полюсной фигуры. В случае аксиальной текстуры, ось ориентации которой совпадает с нормалью к плоскости образца (с направлением приложения н агрузки), можно н е проводить запись на 360° ввиду того, ч то полюсная фигура при этом центрально-симметрична. Достаточно установить уровень интенсивности с учетом необходимой статистики для каждого из значений углов наклона α . Для каждого из полученных уровней инте н сивности вводится поправка на поглощение и вычитается фон. Таким образом, получают сечение полюсной фигуры вдоль одного из диаметров.

При постро е нии полной полю сной фигуры поправки на поглоще ние вводятся для ряда точек на дифрактограмме в интервале углов β от 0 до 360°. Эта операция проводится для всех углов наклона α . Далее все точки полученных текстурдифрактограмм переносятся на полярную стереографиче скую сетку с нанесенными на ней углами α и β . Каждая из точек на полярной проекции имеет количественное выражение в импульсах в секунду или в относитель н ых уровнях инте нсивн ости. Точ ки равной интенсивн ости обводятся изолиниями и строится полюсная фигура. Интерпретация полюсной фигуры поз волит получить количественные показатели ориен тации, хара ктеризующие текс туру.

Рентге н овский количе ственный анализ орие нтировок основан на том, что интенсивность отраженных образцом лучей с учетом попра вки на поглощение и рассеяние ( J_испр. ) пропорциональн а той доле облучаемого объема образ ца, которая участвует в отраже нии, т.е. J_испр. пропорциональна полюсной плотности исследуемых кристаллогра фических плоскостей на сфере проекций. Полюсные фигуры представляют собой стереогра фическую проекцию полюсов а томных плоскостей ( hke ) зерен на выбранную плоскость обр а зца.

Для количественного исследования т е кстуры недостаточно на йти ее тип и получить полюсные фигуры. Необходимо от них перейти к параметрам, характеризующим рассеяние ориентировок поликристаллов и положение осей ориентации. Анализ диаграмм полюс ного ра спределения (полюсных фигур) позволяет оценить тип и степень преимущественной ориента ции, оценить направление осей ориента ции относительно определенных направлений, с которыми связ ана полюсная фигура (направление приложений нагрузки и т.д.), по локализации пиков, о строту этих пиков , относительные величины интенсивностей в случае нескольких осей ориентации. Изменения в текстуре, вызванные уплотнением, сдвигом и т.п., обусловливают изменение координат ( α , β ) осей ориентации, величины интенсивности пика и рассеяния (дисперсии) пиков на полюсной фигуре. Все это необходимо учесть в ан алитической форме, удобной для ра счетов. Суммарная интенсивнос ть отраженных образцом лучей приравнивается к объему v н ад плоскостью проекций, ограниченному криволинейной поверхностью, проекция которой является полюсной фигурой. Доля объема v , соответ с твующая изолированному максимуму какой-либо ориентации v_i , пропорциональна объему образца, имеющего данную ориент а цию.

Для полного описания текстуры необходим о ввести характеристику рассеяния ориен тировки частиц. Данн ( Dunn , 1 954) за эту характеристику принимал величину стандартного отклонения ρ для изолированной концентр а ции полюсов на полюсной фигуре, связанную с параметра ми отклонений по ос ям δ_x и δ_y :

ρ = (δ_x² + δ_y²)^1/2

Стандартное отклонение дает численную меру остроты полюсной концентрации. Эт а формула справедлива только при наличии изолированных максимумов, ограниченных поверхностями Гаусса.

В общем случае при исследовании текстур глинистых минералов форма максимумов на полюсных фигур а х довольно сложна и может з начительно отличаться от нормального ра спределения. Поэтому для опреде ления остроты полюсной концентрации (ее дисперс ии) при любой конфигурации полюсн ой фигуры в общем случае надо перейти в сферическую систему координа т и определять величину

ρ = ( α²_1/2 + β²_1/2 )^1/2,

где α_1/2 и β_1/2 - углы на полюсной фигуре, соответствующие уровню инте н сивн ости, равному 1 /2 ее максимального з начения.

Н а рис. 5 в качестве примера показаны полюсные фигуры (с учетом коррекци и интенсивн ости) для образцов каолин итовой пасты с «идеальной » аксиальной текстурой, образовавшейся при одноосном раздавливании образца меж ду дв умя пластинками и с типич ной аксиальной те кстурой образца, подвергнутого одноосному сжа тию. Полюсные фигуры показывают, что в первом случае ось ориентации совпадает с направлен ием приложения нагрузки (центр полюсной фигуры), а во втором случае - отклонена на 25° от направления нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности исс ледуемого образ ца. Координаты максимума на полюсной фигуре α = 0°, β = 0° и α = 25°, β = 1 65°, соответст венно. Полюсные фигуры изображе ны в уровнях интенсивности, которая прокоррект ировала по поглощению и дефокусировке образца при наклона х α и вращениях β с помощью с пециально приготовленного образца с беспорядочной текс турой. Фон указа н на полю сных фигурах и должен при аналитических расчетах вычитаться.

Зависимость J_испр от α, т .е. сечение полюс ной фигуры (или с феры нормалей) дает характеристику текстуры, т.е. локализацию ос ей ориентации относительно определенных направлений в прос транстве, велич ину интенсивности и рассеяние (дисперсию). В случ ае «идеальной» аксиальной текстуры (рис. 5) любое сечение полностью опис ывает полюсн ую фигуру, так как он а цен трально-симметрична. Дисперсия ρ = α_1/2 = 45° в этом случае. По полюсной фигуре образца, подвергнутого одноосному сжатию, определяем дисперсию ρ = (α²_1/2 +β²_1/2 )^1/2 = 1 46°. В случае сложн ых полюсных фигур с несколькими осями ориентации приходится делать несколько сечений полюсной фигуры.

Рис. 5. Полюсные фигуры и се ч ения полюсных фигур, плоскостей (001 ) образца к аолинитовой пасты

а ) подвергнутого одноосн ому сж атию;

б) с иде а льной аксиальной текстурой

Рассмотрим кратко ещ е один ме тод количе ственной оценки ориентации частиц. Это метод обратных полюсных фигур.

При исследовании преимуществе н ной ориен тировки часто интересуются не распределением в пространстве нормалей к какой-либо систем е плоскостей hke , а кристаллографическими направлениями , с овпада ющими с некоторыми определенными направлениями в исследуемом объекте. Поэтому возникает потребность в способе описания текстур (аналогичном обычным полюсным фигурам), при котором индексы основных направлений определяются непосредственно, а рассеян ие текстуры характеризуется количественно. Этим требованиям удовле творяют обратные полюсные фигуры, которые начин ают широко использоваться ( Harris , 1 952; Jetter , 1 956).

Если ранее устанавливалось распределение полюсной плотности относите л ьно системы координат, с вязанной с образцом, то в случае обратных полюсных фигур находят распределение осей образца относительно крис таллической решетки обы чно в пределах характеристического треугольник а. В случае аксиальной текстуры строят только одну полюсную фигуру для распределения аксиальной оси.

Обратна я полюсная фигура представляет собой стандартную гн омостереографическую проекцию кристаллов исследуемого образ ца, на которой нормалям к кристаллографическим плоскостям придается вес, определяемый сте пе нью совпадения нап равления этих нормалей с некоторым интересующим нас направлением в образце, например, направлением приложения нагрузки. Как и в случае обычных полюсных фигур, точки с одинаковым весом соединяют линиями, а ограниченные ими области штрихуют с разной плотностью. В т екстурирова нном образце норм али, имеющие вес P > 1, преимущественно орие нтированы перпендикулярно пове рхн ости образца, для образца с беспорядочной текстурой Р = 1. Величину веса Р для нормалей к различным к ристаллографическим плоскостя м определяют на основании уравнения Харриса ( Harris , 1 952)

гд е J ( hke ) - интенсив н ость рефлекса текстурированного образца,

а J ′( hke ) - образца с беспорядочной текстурой;

ΣJ ( hke ) и Σ J ′ ( hke ) - сумма ин тен сивностей отражений для тех же образцов.

Рассчит а нные по вышеприведенной формуле значения Р наносятся на стандартную гномостереографи ческую проекцию кристал ла.

Можно ввести коэффициент ориентации показывающий отношение вз а им ноперпен дикулярны х плоскостей ooe и oko , ориентированных параллель н о поверхности или пе рпендикулярн о направлению приложения нагрузки. Чем лучше ориента ция базаль ны х поверхностей частиц в направлении, перпендикулярном направлению приложения нагрузки, тем больше будет P_noe , меньше P_oko и больше К.

Рис. 6. Обратные полюсные фигуры образцо в каолинитовой паст ы с беспорядочной текстурой

а) исходный образец, не подвергнутый исп ы тан иям (образец № 2608)

б) образец, подвергнутый одноосно м у сжатию (образе ц № 2611 )

На рис. 6 показано количеств е нное изуч ение текстурных изменений методом обра тны х полюсных фигур для раз личны х по высоте участков образца, подвергнутого прочностным ис пытаниям.

Из рис. 6 видно, что исходный образец и м еет довольно слабую преимущественную орие нтацию. Коэффициен ты ориентации верхней, средней, нижней частей К = 1 ,2; 1 ,1 4; 1 ,35 соответственно. Коэффициенты P₀₀₁ для всех участков примерно равны: 1 ,37; 1 ,37; 1 ,30. Слабая ориентация отмечена и по данным прямых полюсных фигур и оптического анализа.

При доведении образца до разруше н ия отмечается значительное улучшение ориентации граней (001 ) перпендикулярно н аправлению прилож ения нагрузки, особенно в центральн ой части образца (К = 2,0), что свидетельствует об интенсивной перестройке ориен тации частиц в цен тральной части образца.

Глава III

ОБРАБОТКА РЕЗУЛ ЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

При пров е дении мин ералого-п етрографическ их исс ледований правильная расшифровка полученных результатов во многом зависит от обработки фактич еского материала.

Основными требовани ям и и пожеланиями к обработке материалов иссле дования явля ются :

1. С т рогая фиксация местополож ения изученных образцов в разрезе скважины и выделение слоев однородных по минералого-петрографическим характеристикам (минералогическому составу основ ной массы, составу и характеру включений и с труктурно-текстурным особенн остям). Для этого по каждой изученной скважине строится геолого-петрографическая колонка (табл. 9), в которой наряду с геологическим разрез ом и краткой д иа логической характеристикой пород добавляются следующие графы: номера образцов, краткая минералогичес кая характеристика и гра фа, в к оторой выделяются участки измененной текстуры (зоны деформации, зоны перем ятия, плоскости смещения).

В табл. 9 в к а честве примера приводится такая геолого-петрографическая колонка, составленная по результа там исследования оползня «Ф ин банк» (г. Х оста). Для построения колонок используется весь петрографический ма териал ка к полевых, так и лабораторных исследований.

Та блица 9

Ми н ера лого-пет ро граф ическая ха ракте ристика п ород опол зневого учас тка «Ф ин бан к» по скважи не 1 8

2. П лан ово-высотная привязка скважин. По колонкам скважин строя тся инженерно-геологические продольные и попе речные разрезы. При построе нии разрезов долж ны быть использованы все минералого-петрографи ческие характеристики. Ос обое вним ание следует уделять участка м, на которых отмечены текстурные изменения, вызванные деформация ми оползневых смещений.

Инженерно-геологические разрезы сопровождаются пояснительной запиской и детальным описанием минер а логического состава и структурно-текстурных особенностей пород, слагающих изучаемый оползневой склон. Пояснительная записка содержит такой материал, как таблицы , графики, фотографии шлифов и керна и др.

При наличии инженерно-геологических разрезов с пояснительной запиской можно составить детальную минералого-петрографическую характеристику оползневого участка с выделением зон деформации и установлением границ массива, в пределах которого строение пород нарушено в ходе оползневого смещения.

В случае, если количества петрографически изуче н ных скважин недостаточно для построе ния инженерно-геологических разрезов, минералог о-петрографи ческий материал приводится на геологических профилях в виде колонок, без выделения петрографических горизонтов и зон деформаций. В этом случае минералого-петрог рафическая характеристика оползневого участка дается по отдельным сечениям. Иногда при достаточной геологической однородн ости пород оползневого участка она может быть условно распростран ена по разрезу.

На рис. 7 приведен геолого-петрографический профиль, по с троенный по результатам минералого-петрографического исследован ия оползня «Ф ин банк» .

3. В связи с тем, что наряду с минералого-петрографическими исследов а ниями проводится, как правило, изучение инженерн о-геологиче ских свойств пород ополз невых накоплений, желательно, чтобы при построении инженерно-геологических разрезов на них был и нанесены результаты исследований прочностных и физических свойств из учаемых пород. Н аличие такого профиля обеспечивае т возможность выявить зависимость измен ений инженерн о-геологических свойств от измен ений минералого-петрографических особеннос тей. Кроме того, при сплошном определен ии прочностных показател ей в скважин ах как пол евыми, так и лабораторными методами выявл яются участки ослабл енных пород (о с лабле нные зоны). Эти ослаблен ные зоны совпадают с з онами изм ененных текстур (з онами деформаций). Так, при изучении ополз ня «Фи нбанк» (Царева, К орен ев а, 1 970) в 1 ,5 метрах от скважины, изученной петрографиче ским мет одом, б ыла пробурена скважина, в которой методом крыльчатого зондирования определялись прочностные и деформационные свойства пород in situ .

Рис. 7. Г ео логич еский разрез оползневого склона «Финбанк» г. Хоста

1 - суглинки бурые, полиминерального состава (гидрослюда, каолинит, хлорит, монтмориллонит); 2 - переходный слой того же состава без монтмориллонита; 3 - глины синие каолинитово-гидрослюдистого состава; 4 - переходный слой того же состава; 5 - глины серые гидрослюдисто-каолинитового состава; 6 - аргиллиты того же состава; 7 - текстура беспорядочная; 8 - текстура послойно-упорядоченная; 9 - включения песчаника; 10 - включения аргиллита; 11 - включения алевролита; 12 - зона смещения мощностью 20-30 см; 13 - зона смещения мощностью 5-10 см; 14 - трещина откола

Результаты крыльчатого зондирования по з волили выдели ть 4 ослабле нные зоны в изучаемых отложе ниях. Эти зоны с точностью до 2-3 см совпали с зонам и деформ аций, выделенн ыми петрографическим методом.

На рис. 7 эти зоны отмечены крестиком.

Таки м образом, прим енение минерал ого-петрографического метода совместно с другими методами являетс я весьма полезным при решении ряда вопросов, возникающих при изучении оползневого процесса, в том числе:

а) уст а новление зон деформации в породах, слагающих оползневое тело;

б) наличие или отсутствие деформ и рованн ости пород в прошлом н а участках, в настоящее время стабильных в отноше нии оползневых подв ижек;

в) установл е ние взаимосвязи между структурно-те кстурными особенностями глинистых пород и п оказателями их свойств;

г) выбор метода борьбы с оползнями и прогноз поведения оползневых склонов.

ЛИТЕРАТУРА

Бород ки на М . М . Прист авка для изучения текстур на ре нтге новской ус тан овке УРС-50И. «Заводская лабора тория», 1 958, № 5.

Гиллер Я . Л . Таблицы межплоскостных расстояний. Изд-во «Нед ра», М., 1 966.

Грим Р . Е. Ми нералогия гл ин. Изд-во ин. л ит., М., 1 959.

Дьяк о нов Ю. С . О возможнос ти количественного рентгенографичес кого опре деления каолинитов, гидрослюд и монтмориллонитов. Рентгенография минераль ного сырья. Сб. 3 , Изд-во «Недра», М ., 1 963.

Завар и цкий А . Н . Введен ие в петрогра фию осадочных пород. Гос. на уч.- техн. из д., М.- Л., 1 932.

Левинсон - Лессинг Ф. О , Струве Э. В . Петрографичес кий с ловарь. Госгеолтехиздат, М., 1 963.

Логвиненко Н . В . Основы методики исследования оса дочных пород. Харьков. Изд. Ж ГУ, 1 962.

Ло гвиненко Н. В. Петрография осадочных пород. Изд-во «Высшая школа», М ., 1 967.

Методиче с кое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. Т. 1 , Изд. М ГУ, 1 968.

Михеев В . И . Рентгеновский определитель минералов. Госгеолтехиз дат, М., 1 957.

Петрография СССР. Под ред. Ф.О. Левинсон-Лесси н га. Изд. А Н СССР, М .-Л., 1 938.

Поном а рев В . В . Приставка к дифрактом етру УРС-50И для изучения микротекстур глин. Труды ВСЕГИНГЕО, VIII конференция мл . н ауч. сотр., аспирантов и инжен еров, ч. II , Изд . В СЕГИНГ ЕО, М.,1 963.

Пономарев В . В . Рентгеновский количественный минера логичес кий анализ глинис тых пород. Сб. « Современные методы изучения физико-механических свойств горных пород». ВСЕГИ НГЕО, М., 1 970.

Пономарев В . В., Р а йтбурд Ц. М . Методика дифрактометрического из учения аксиальных текс тур глин. Рентгенография минерального сырья, вып. 5 . Изд-во «Недра », М., 1 966.

Райтбурд Ц . М . Применение рент геноструктурно го анализ а для изучения крис таллографичес кой ориент ировки глинистых минералов. Изу чение текс тур деформаций пасты к аолин итовой глины . Тр. с овещ . по изуч. и использованию глин. И зд. Л ьвовс к. Г У, 1 958.

Р айт бурд Ц. М. Изучение микроструктуры глинистых пород ре нт ген острук турн ым ме тодом. Сб. д окл. к симпозиуму комиссии по глинам М еж д. г еол. к онгр., М ., Изд. А Н СССР, 1 960.

Ра й тбурд Ц. М. Методика изучения орие н тированных агрегатов глинистых минерал ов при рен тген острук турно м анализе. Сб. «Рентге нография минерального сырья », № 2, Изд-во «Недра», М .,1 962.

Райтбурд Ц . М ., Царева А. М ., Поно марев В. В . Методика изучения текстуры глинистых пород. Современны е методы изучения физико-меха нических свойств горных пород. Изд. ВСЕГ ИН ГЕ О, М., 1 968.

Рентгеновс к ие методы из учения и структура глинистых мин ералов. Под ред. Б рауна Г. Изд-во «Мир», М., 1 965.

Рентгеновские методы определения и кристаллическое строение минералов гли н. П од ред. Б риндли Г. В., М., ИЛ, 1 955.

Спра в очное руководс тво по петрографии оса дочных пород. Гостоптехи здат, т. I , II , Л., 1 958.

Туровск ая А . Я . Исследование прочности первичных каолини тов. Научное сообщение № 4. Днепропетровск, ДИ ИТ , 1 959.

Фролов В . Т . Руководство к лабораторным занятиям по петрографии оса дочных пород, МГУ, 1 964.

Хейкер Д . М ., Зевин Л. С . Рентгеновская дифрактом етрия. Ф изматгиз, М., 1 963.

Царев П . В . и др. Методы изучения инже нерно-геологических свойств глинистых пород Предкавказья в с вязи с оценкой оползневых и прос адочны х процессов. Изд-во «Наука», М., 1 967.

Царева А . М ., Коренева С. Л . Применение пе трографического метода выявления ослабленных зон оползневого ма ссива. Сб. « Современные м етоды изучения физико-механических свойств горных пород». Изд. В СЕГИНГЕО, М., 1 970.

Швецов М . С . Петрография о садочных пород, М., Госгеолтехизда т, 1 958.

Brindley J. W., Kurtossy S. S. «Quantitative determination of kaolinite by x-ray diffraction». Am. Miner, 46 №№ 11-12, 1961.

Dunn C. J. «The analysis of quantitative Pole-Figure Data». Journ. Appl. Phys. 25, 1954, pp. 233-236.

Engelhardt W. V. «Über die Möylichkeit der quantitative Phasenanalyse von Tönen mit Röntgenstrahlen» Zeit. für Krist, 106, h 6, 430, 1955.

Harris Z. «Quantitative Measurement of preferred orientation in Rolled Uranium Bars». The Philos Mag., 43 7th ser, № 336, 1952, pp. 113-123.

Jetter Z. K., Me Harris C. J. and Williams R. O. «Method of Representing preferred Orientation Data». Journ. Appl. Phys. 27. 1956, p. 2368.

Nagelschmidt J. «Identification of clay minerals by aggregate diffraction diagramms». Journ. Sci. Instr., 18, 1941, pp. 100-101.

Norrish K., Taylor R. M. «Quantitave analysis by x-ray diffraction». Clay mineral bulletin, vol. 5. № 28, 1962, pp . 98-109.

Parrish W. «Advances in x-ray diffractometry of clay minerals» in «X-ray analysis papers». Ed. by W. Purrish. 1965. Eindhoven.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие и общие положения . 1

Глава I Полевые методы минералого-петрографических исследований . 2

I.1. Документация обнажений и горных выработок . 2

I.2. Отбор образцов для лабораторных исследований . 4

Глава II Лабораторные исследования . 7

II.1. Подготовка образцов для лабораторных минералого-петрографических исследований . 8

II.1.1. Подготовка образцов для изучения в прозрачных шлифах . 8

II.1.2. Подготовка образцов для изучения минералогического состава по фракциям .. 10

II.2. Изучение минералогического состава . 10

II.2.1. Оптический метод . 10

II.2.2. Рентгеновский метод . 12

II.3. Изучение структурно-текстурных особенностей пород . 17

II.3.1. Визуальное описание . 17

II.3.2. Оптический метод . 18

II.3.3. Рентгеноструктурный метод . 24

Глава III Обработка результатов исследований . 30

Литература . 34