Radiografia rentgenowska jako metoda uszczegóławiająca analizę

VARIA
Joanna PSZONKA1
Marek WENDORFF1
Katarzyna JUCHA2
Karolina BARTYNOWSKA2
Andrzej URBANIK2
Radiografia rentgenowska jako metoda
uszczegóławiająca analizę sedymentologiczną
skał osadowych, na przykładzie piaskowców
cergowskich (Karpaty fliszowe)
X-ray radiography as a method of detailing the analysis
of sedimentary facies, based on example of the Cergowa
sandstones (Flysch Carpathians)
Katedra Analiz Środowiskowych,
Kartografii i Geologii Gospodarczej
Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony
Środowiska Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica
Kierownik:
Prof. dr hab. inż. Jacek Matyszkiewicz
1
Katedra Radiologii
Uniwersytet Jagielloński
Collegium Medicum
Kierownik:
Prof. dr hab. med. Andrzej Urbanik
2
Dodatkowe słowa kluczowe:
radiografia rentgenowska
Karpaty fliszowe
piaskowce cergowskie
Additional key words:
X-ray radiography
Flysch Carpathians
Cergowa sandstones
Adres do korespondencji:
Katedra Radiologii UJ CM
31-501 Kraków, ul. Kopernika 19
Tel.: 124247761, Fax: 124247391
email: [email protected]
366
W artykule przedstawiono radiografię rentgenowską, jako metodę
przydatną do wizualizacji struktur
sedymentacyjnych w skałach makroskopowo jednorodnych. Metodę
radiograficzną omówiono na przykładzie analizy piaskowców cergowskich.
W wyniku przeprowadzonych badań
stwierdzono, że część piaskowców
cergowskich, makroskopowo charakteryzujących się strukturą masywną,
w obrazie radiograficznym wykazuje
laminację przekątną, co wpływa na
interpretację mechanizmów ich depozycji. Zastosowanie tej metody do
badań fliszowych skał osadowych jest
pierwszym tego typu.
The paper presents the X-ray radiography as a method useful for the
visualization of sedimentary structures
in macroscopically homogeneous
rocks. The radiographic analysis presented here bases on the example the
Cergowa turbidite sandstones. The
applied technique reveals that some of
the apparently homogeneus Cergowa
sandstones possess internal sedimentary structure of cross-lamination,
which reflects on the sedimentological interpretation of the depositional
mechanisms of this rock unit. This
is the first application of this method
in research on the Carpathian Flysch
sedimentation.
Wstęp
Na ostateczne wykształcenie okruchowych skał osadowych ma wpływ obecność
i intensywność ciągu procesów, wśród
których można wyróżnić następujące po
sobie stadia:
- procesy wietrzeniowe (mechaniczne
i chemiczne),
- procesy transportu,
- procesy sedymentacyjne (depozycyjne),
- procesy diagenetyczne (lityfikacyjne),
- procesy epigenetyczne.
Wymienione stadia różnią się intensywnością rozwoju, pozostawiając lub zacierając
charakterystyczne cechy skał, na przykład
ich tekstury i struktury, na podstawie których
rekonstruowane są procesy genetyczne
odpowiedzialne za ich powstawanie. Rekonstrukcja procesów genetycznych odgrywa
znaczną rolę w studiach skał osadowych,
zarówno w badaniach teoretycznych, jak i
stosowanych, czyli w pracach poszukiwawczych złóż kopalin w znaczeniu złożowym.
W przypadku piaskowców, procesy
wietrzenia i transportu ziaren z obszaru
źródłowego do basenu sedymentacyjnego
są głównym czynnikiem kształtującym m.in.
skład mineralny oraz własności tekstualne,
czyli kształt ziaren oraz ich wysortowanie.
Piaski o bardzo wysokim stopniu dojrzałości
składu mineralnego i tekstualnej składają się
głównie z bardzo dobrze wysortowanych
ziaren kwarcu, o podobnej wielkości i stopniu obtoczenia. Wysoki stopień obtoczenia
mają ziarna, których krawędzie zostały
usunięte podczas transportu, a więc przyjęły
one kształt kulisty bądź owalny o stosunkowo gładkiej powierzchni.
Procesy depozycji osadu formują różnorodne struktury sedymentacyjne, które
pozwalają poznać mechanizmy transportu
odpowiedzialne za ostateczną fazę depozycji. Struktury sedymentacyjne ujawniają
się wyraźnie jeśli deponowany osad jest
zróżnicowany pod względem składu mineralnego, wielkości ziaren oraz ich kształtu
(tekstury). W przypadku osadu o jednorodnym składzie, zarówno mineralnym jak
i teksturalnym, struktury sedymentacyjne
mogą nie ujawniać się w trakcie obserwacji
makroskopowych. Odczytujemy je wówczas
fałszywie jako pozbawione struktur, nazywając masywnymi lub bezstrukturalnymi co
powoduje fałszywą interpretacją procesów
genetycznych.
Po zdeponowaniu osadu rozpoczyna się
proces lityfikacji (diagenezy), polegający na
przeobrażeniu luźnego materiału w zwięzłą
skałę osadową. Jest to zatem zespół procesów chemicznych (m. in. rozpuszczania,
krystalizacji) przebiegający w osadzie od
chwili jego depozycji, w warunkach niskich
temperatur i ciśnień, zachodzący dzięki krążącym w porach osadu roztworom. Proces
ten może odegrać znaczną rolę w zacieraniu
pierwotnych tekstur i struktur skał, co powoduje, że makroskopowo wydają się one
być jednorodne (masywne), prowadząc do
błędnej interpretacji procesów osadowych.
J. Pszonka i wsp.
Radiografia rentgenowska jest prostą
metodą umożliwiającą ujawnienie zróżnicowanych struktur w makroskopowo
jednorodnych skałach dzięki odmiennej
absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Różne składniki badanej próbki skalnej
oraz odmienna orientacja ziaren w laminach
wykazuje różną absorpcję promieniowania
rentgenowskiego. Przykładowo ziarna kwarcu ułożone równolegle do osi Z wykazują
inną absorpcję niż ziarna kwarcu ułożone
do niej prostopadle. Zarejestrowanie tych
zmian na obrazie radiograficznym obrazuje
wewnętrzne struktury skały. Struktury sedymentacyjne zwane warstwowaniem przekątnym pozwalają określić kierunek prądu,
który deponował analizowany piaskowiec.
Ujawnienie tego typu struktur sedymentacujnych w zorientowanych próbkach skalnych
umożliwia rekonstrukcję kierunku transportu
(paleotransportu), co jest bardzo istotnym
elementem rekonstrukcji geologicznej obszaru depozycji.
Celem pracy jest przedstawienie zasto-
sowania metody radiografii rentgenowskiej
do analizy struktur sedymentacyjnych w
makroskopowo masywnych próbkach piaskowców ze wschodnich Karpat fliszowych
Polski. Poruszany problem jest istotny ponieważ analizowane piaskowce pochodzą z
obszaru o potencjale ropo- i gazonośnym,
dlatego każdy szczegół wzbogacający rekonstrukcję warunków sedymentacji może
mieć znaczenie dla geologii złożowej tych
kopalin.
Materiał
Badaniu radiograficznemu zostały poddane 4 próbki piaskowców cergowskich (A,
B, C , D), przygotowane w postaci płytek o
grubości 5 mm.
Warstwy cergowskie (dolny oligocen)
występują w jednostce dukielskiej i śląskiej
Karpat fliszowych. Na powierzchni odsłaniają się na odcinku 75 km, od okolic Nowego
Żmigrodu na północnym-zachodzie po wieś
Żubracze na południowym-wschodzie. Niewielka część wychodni warstw cergowskich
Rycina 1
Mapa geologiczna wschodniej części polskich Karpat fliszowych [10], zmienione.
Geological map of the Eastern Outer Carpathians of Poland [10], modified.
Tabela 1
Skład petrograficzny piaskowców cergowskich [6]; z modyfikacją autora.
Petrographical composition of the Cergowa sandstone [6]; modified .
Składnik
Średni udział procentowy
Kwarc
20,0-36,0
Skalenie
1,2-6,8
Łyszczyki
1,1-11,0
Okruchy skał obcych:
24,8-58,4
Okruchy skał węglanowych:
14,6-45,9
Wapienie
1,4-11,3
Dolomity bardzo drobnoi drobnokrystaliczne
2,0-13,0
Dolomity średniokrystaliczne
0,0-19,1
Monokryształy dolomitów
5,4-15,6
Okruchy piaskowców i skał krzemionkowych
0,6-10,2
Okruchy skał ilastych
0,1-15,8
Okruchy granitoidów i wulkanitów
0,2-6,4
Okruchy skał metamorficznych
0,8-5,3
Glaukonit + minerały akcesoryczne + szczątki organiczne
0,0-3,5
Spoiwo
8,7-45,8
Przegląd Lekarski 2013 / 70 / 5
występuje na terenie Słowacji, natomiast
marginalny, północny fragment w południowej strefie jednostki śląskiej (ryc. 1.). Nazwa
warstw cergowskich pochodzi od odsłonięć
w rejonie góry Cergowej w okolicach Dukli
(województwo podkarpackie).
Warstwy cergowskie budują dwie facje:
piaskowcowa oraz piaskowcowo-łupkowa
[8]. Powstały one w wyniku depozycji do
basenu fliszowego, przez głębokomorskie
spływy grawitacyjne, w tym głównie przez
prądy zawiesinowe, niosące materiał ziarnowy pochodzący z wynurzonych stref
źródłowych i przyległych partii płytkiego
morza [9].
W piaskowcach cergowskich, które
są dominującą facją warstw cergowskich,
podstawowym składnikiem są okruchy
skalne, głównie węglanowe. Znaczny udział
stanowi także kwarc, a podrzędnie występują skalenie, łyszczyki, minerały ciężkie,
glaukonit i detrytus roślinny. Udział spoiwa,
które zostało określone jako dolomitowowapnisto-ilaste [6], jest zmienny i waha się
w przedziale 8,7-45,8% (tab. I).
Obecny wygląd oraz parametry techniczne omawianych piaskowców są przede
wszystkim efektem działalności procesów
diagenetycznych [6]. Procesy zachodzące
podczas diagenezy związane były głównie
z rozpuszczaniem, krystalizacją i rekrystalizacją [6]. Ich intensywność wspomagało
ciśnienie wywołane kompakcją osadu.
Proces rozpuszczania spowodował przede
wszystkim zniszczenie brzeżnych partii
ziaren (korozja) i przyczynił się do zwiększenia powierzchni ich kontaktu ze spoiwem.
Spowodowało to bardzo silną cementację
piaskowców.
Skład mineralny warstw cergowskich,
charakteryzujący się wysoką zawartością
węglanów i kwarcu oraz działalność procesów diagenetycznych miały wpływ na
wysoko oceniane właściwości fizyczno-mechaniczne. Piaskowce mają niską i umiarkowaną ścieralność, małą nasiąkliwość,
bardzo dobrą mrozoodporność oraz dużą
wytrzymałość na ścieranie [1]. Uważa się, że
są one jednymi z najbardziej wartościowych
piaskowców wykorzystywanych w przemysle wśród piaskowców karpackich [7].
Silna cementacja w piaskowcach cergowskich zaciera ich pierwotne struktury
sedymentacyjne i na wychodniach wydają
się one być w wielu miejscach jednorodne.
Słabo widoczne struktury pierwotne lub
ich brak znacznie utrudnia rekonstrukcję
procesów depozycyjnych i odtwarzanie ich
warunków środowiska sedymentacyjnego.
Metodyka
Do badania radiograficznego wykorzystano mammograf Lorad M-IV używany
standardowo do badań mammograficznych.
Stosowano następujące parametry ekspozycji: 32 kV i 110 mAs.
Do rejestracji obrazów użyto system
radiografii cyfrowej pośredniej. Zastosowano kasety o rozdzielczości 20 pixeli/mm
(wielkośc pixela 50x50 mikronów), które były
odczytywane w skanerze CR 35-X (Agfa), a
następnie analizowane na stacji lekarskiej z
użyciem programu Impax (Agfa).
Uzyskane obrazy analizowano pod
kątem oceny struktur sedymentacyjnych
367
Rycina 2
Pozornie homogeniczna próbka piaskowca cergowskiego, próbka A
(fot. Pszonka).
Apparently homogeneous the Cergowa sandstone, the specimen A (phot. Pszonka).
Rycina 3
Pozornie homogeniczna próbka piaskowca cergowskiego, próbka C
(fot. Pszonka).
Apparently homogeneous the Cergowa sandstone, the specimen C (phot. Pszonka).
Rycina 4
Obraz rtg próbki piaskowca A.
X-ray image of the specimen A.
Rycina 5
Obraz rtg próbki piaskowca C.
X-ray image of the specimen C.
obecnych w makroskopowo jednorodnych
piaskowców cergowskich.
Wyniki
Analizowane metodą radiografii rentgenowskiej próbki piaskowców cergowskich
makroskopowo są jednorodne (ryc. 2, 3).
Charakteryzują się strukturą masywną,
powstałą w podobnych warunkach depozycyjnych materiału okruchowego. Natomiast
obrazy otrzymane przy użyciu radiografii
rentgenowskiej wykazują, że nie wszystkie
badane próbki są jednorodne. Próbki A (ryc.
4) i B w obrazie radiograficznym charakteryzują się, podobnie jak w obrazie makroskopowym, strukturą masywną. Próbki C (ryc.
5) i D w obrazie radiograficznym wykazują
wyraźną laminację przekątną.
Dyskusja
Pierwsze pozytywne wyniki użycia metody radiografii rentgenowskiej do wizualizacji
struktur sedymentacyjnych homogenicznych
skał osadowych otrzymano w połowie XX w.
368
[2,3,5]. Metoda ta została szczegółowo
opisana, zarówno od strony technicznej
jak analitycznej, przez Hamblina [4] i jest
powszechnie stosowana.
Wyniki otrzymane w obrazach radiograficznych badanych piaskowców wskazują, że
niektóre z nich charakteryzują się odmienną
strukturą depozycyjną w porównaniu do obserwacji makroskopowych, co ma związek z
różnymi procesami depozycyjnymi odpowiedzialnymi za ich powstanie. Struktura masywna w skałach średnio- i gruboziarnistych w
głębokomorskim środowisku depozycyjnym
związana jest np. z wysokoenergetycznym
reżimem przepływu prądu wody. Z kolei laminacja przekątna, w tym samym środowisku
depozycyjnym, jest wyznacznikiem niższego
energetycznie reżimu przepływu prądu
pozwalającego na utworzenie niewielkich
grzbiecików tzw. riplemarków zbudowanych
z materiału okruchowego, zazwyczaj frakcji piaszczystej, transportowanego przez
saltację lub wleczenie. Rriplemarki, mają
postać mniej więcej trójkątów na przekroju
w płaszczyźnie pionowej, równoległej do
kierunku ruchu ośrodka transportującego,
którym w tym przypadku jest woda. W
zapisie kopalnym pozostawiają natomiast
charakterystyczne struktury sedymentacyjne
w postaci laminacji przekątnej.
W przypadkach gdy obraz radiograficzny wykazał inną strukturę piaskowców w
porównaniu z obrazem makroskopowym
(ryc. 3, 5), nieprawidłowo zinterpretowano
procesy depozycyjne. Błędna interpretacja
tych procesów wiąże się z niewłaściwym
przypisaniem ich do elementów budujących
dane środowisko sedymentacyjne.
Jedną z zalet zastosowanej metody jest
trwały zapis wizualny struktur wewnętrznych
skał. W efekcie tego, radiografia umożliwia
badanie wnętrzną skały i analizowanie
elementów strukturalnych. Kolejną zaletą
radiografii rentgenowskiej jest to, że badane próbki nie są niszczone, uszkodzone,
ani przeobrażone. Mogą zatem zostać
ponownie wykorzystane do innych analiz
laboratoryjnych.
J. Pszonka i wsp.
Wnioski
1. Radiografia rentgenowska może być
metodą używaną w wizualizacji struktur
sedymentacyjnych w jednorodnych makroskopowo skałach osadowych.
2. Piaskowce cergowskie charakteryzują
się silną cementacją szkieletu ziarnowego
co wpływa na wysoko oceniane parametry
techniczne oraz homogeniczny wygląd
makroskopowy tych skał.
3. Metoda radiografii rentgenowskiej
użyta w analizie facjalnej piaskowców
cergowskich wnosi nowe dane uszczegóławiające obserwacje zebrane podczas badań
terenowych i laboratoryjnych.
4. Obrazy radiograficzne próbek piaskowców cergowskich ujawniły, że niektóre
z nich nie wykazują struktur masywnych, co
wskazały obserwacje makroskopowe.
5. Przeprowadzone badania wykazały,
że część analizowanych piaskowców cergowskich ma wyraźną laminację przekątną.
W homogenicznych piaskowcach cergow-
Przegląd Lekarski 2013 / 70 / 5
skich, radiografia rentgenowska potwierdziła
obecność struktur masywnych i laminacji
przekątnej.
6. Struktury sedymentacyjne służą
pomagają w interpretacji procesów depozycyjnych zachodzących w basenie, dlatego
ich poprawne odczytanie jest istotne dla
rekonstrukcji ich środowiska sedymentacyjnego.
7. Zastosowanie radiografii rentgenowskiej umożliwiło otrzymanie informacji
o przestrzennym rozkładzie składników
mineralnych oraz struktur sedymentacyjnych, które makroskopowo oraz przy użyciu
podstawowych metod mikroskopowych były
niewidoczne.
Piśmiennictwo
1. Bromowicz J., Gucik S., Magiera J. i wsp.:
Piaskowce karpackie, ich znaczenie surowcowe
i perspektywy wykorzystania. Zesz. Nauk. AGH,
Geol. 1976, 2/2, 1.
2. Clifton E.H.: X-ray radiography with X-ray diffraction
equipment. J. Sed. Res. 1966, 36, 620.
3. Hamblin W.K.: X-ray radiography in the study of
structures in homogenous sediments. J. Sed. Res.
1962, 32, 201.
4. Hamblin W.K.: X-ray radiography. W: Carver R. E.
(Red.) Procedures in sedimentary petrology. Wiley
and Sons, New York 1971, 251.
5. Howard J.D.: X-ray radiography for examination
of burrowing in sediments by marine invertebrate
organisms. Sedim. 1969, 11, 249.
6. Peszat C.: Zmienność składu petrograficzno-mineralnego piaskowców cergowskich na tle warunków
depozycji i przemian diagenetycznych. Biul. Inst.
Geol. 1984, 346, 207.
7. Pszonka J., Wendorff M., Kusaj E.: Piaskowce
cergowskie jako najważniejszy surowiec skalny
województwa podkarpackiego. Biul. Państw. Inst.
Geol. 2010, 439, 261.
8. Ślączka A.: Geologia jednostki dukielskiej. Prace
PIG 1971, 63, 1.
9. Ślączka A., Unrug R.: Trends of textural and structural variation in turbidite sandstones: the Cergowa
sandstone (Oligocene, outer Carpathians). Rocz.
PTG 1976, 46, 1.
10. Ślączka A., Kruglov S., Golonka J. i wsp.: The
general geology of the Outer Carpathians, Poland,
Slovakia and Ukraine. AAPG Mem. 2005, 84, 221.
369