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