Znaczenie analizy minerałów ciężkich w badaniach osadów czwartorzędowych Polski - Biblioteka UMCS

DOI: 10.2478/v 10066-008-0001 -1

A N N A L E S

U N I V E R S I T A T I S M A R I A E C U R I E - S K Ł O D O W S K A L U B L I N — P O L O N I A

VOL. LXIII, 1_______________________SECTIO B________________________________2008 Wydział Budownictwa i Architektury, Zachodniopomorski Uniwersytet Techniczny

Roman RACINOWSKI

Znaczenie analizy minerałów ciężkich w badaniach osadów czwartorzędowych Polski

Significance o f heavy minerals analysis in the studies o f the Quaternary deposits in Poland

W P R O W A D Z E N I E

W Polsce badania minerałów ciężkich prowadzone były od początku XX wieku, ale dotyczyły skał przedczwartorzędowych. Wycinkowo analizowane były tylko osady wydmowe (Małkowski 1917) i plażowe (Morawiecki 1928, Wątocki 1928). Szczegółowiej zagadnieniem tym w odniesieniu do problematyki litolo­

gicznej zajmował się w latach 30. ubiegłego wieku J. Tokarski (1936) badający lessy podolskie. Dopiero w połowie XX wieku M. Tumau-Morawska (1952, 1954) zainicjowała badania minerałów ciężkich osadów czwartorzędowych. Analizowała ona utwory preglacjalne, rzeczne, lessowe i glacjalne. Opublikowała też aktualną do tej pory rozprawę dotyczącą znaczenia badań minerałów ciężkich w szeroko pojętym wnioskowaniu litotologicznym (Tumau-Morawska 1955).

Bardzo duże zainteresowanie wykorzystaniem badań minerałów ciężkich we wszechstronnej charakterystyce osadów czwartorzędowych nastąpiło w latach 60.

i 70. ubiegłego wieku. Wkład w tę problematykę wniosło wielu badaczy, których wyniki i wypływające z nich wnioski znajdują się w szeregu specjalistycznych publikacjach. Informacje o nich zaprezentowano w dołączonym w sposób wybiór­

czy spisie literatury. Pełne rezultaty analiz zgromadzone są w archiwach PIG, uczelni wyższych, placówkach PAN i instytutach resortowych (np. PIHM, IM) oraz przedsiębiorstwach geologicznych (np. Poxima). Rezultaty tych badań stanowią do tej pory ogólne wyznaczniki określające cechy osadów czwartorzędowych Polski i są podstawą wnioskowania litologicznego. Pod koniec lat 60. z inspiracji J. Rze- chowskiego i A. Maliszewskiej (Maliszewska 1969) analizy minerałów ciężkich jako badania standardowe zostały wprowadzone przez Państwowy Instytut Geologiczny do charakterystyki litologicznej osadów czwartorzędowych Polski,

w ramach wykonywanego kartowania geologicznego kraju. Początkowo wyniki te w bardzo ograniczonej formie zamieszczane były w objaśnieniach do poszczegól­

nych arkuszy szczegółowej Mapy Geologicznej Polski 1:50 000. Jednak pod koniec lat 90. ubiegłego wieku zrezygnowano z ich prezentacji w tych opracowaniach.

Na przełomie wieku XX i XXI zainteresowanie badaniami minerałów ciężkich nieco zmalało i traktowane jest tylko jako uzupełniająca charakterystyka cech litologicznych osadu. Niemniej wyniki tych badań wykorzystywane są jako pomoc­

nicze do rozwiązywania niektórych węższych problemów, głównie do ustalenia źródła pochodzenia i kierunku transportu materiału osadotwórczego, charakte­

rystyki dynamiki środowisk prądowych, wybranych zagadnień stratygrafii utworów plejstoceńskich czy też ustalania „stopnia zwietrzenia” osadu. Duże nagromadzenie materiału faktograficznego powoduje jednak szereg wątpliwości i krytyczną ocenę efektywności stosowania wyników analiz minerałów ciężkich do uniwersalnego wykorzystania ich w rozwiązywaniu problematyki litostratygraficznej polskich osadów czwartorzędowych. Uważa się, że w zakresie poznawczym wyniki analiz minerałów ciężkich stanowić tylko mogą materiał pomocniczy do interpretacji litogenetycznej i litodynamicznej w skali regionalnej i lokalnej (np. Czerwonka 2004, Kenig 2004, Racinowski 1993, 2000).

U W A G I M E T O D Y C Z N E

Wykorzystanie wyników analiz minerałów ciężkich w rozwiązywaniu podsta­

wowych problemów charakterystyki osadów czwartorzędowych wymaga uwzględ­

nienia szeregu zagadnień wynikających z metodyki badań laboratoryjnych i opra­

cowania kameralnego. Niektóre z nich przedstawiono poniżej.

P r z y g o t o w a n i e p r ó b k i do s e p a r a c j i m i n e r a ł ó w c i ę ż k i c h i s p o s ó b r o z d z i e l a n i a m i n e r a ł ó w . Zasadniczo w Polsce badanie mine­

rałów ciężkich prowadzi się na ziarnach z określonej frakcji przemytej wodą na sicie o określonej średnicy. Materiał ten nie jest poddawany działaniu odczynników chemicznych (np. HC1), które powodują eliminacje niektórych składników (np. konkrecje, agregaty, glaukonit, częściowo chloryty). Jednak niekiedy zabiegi takie są wskazane ze względu na ułatwienie wykonania analiz mikroskopowych.

W zależności od średnicy analizowanego materiału naważki rozdzielanych składników są zmienne. Zwraca się uwagę, aby w lejku rozdzielczym naważki próbki nie były większe od 5-10 g. Jako cieczy separacyjnych, w których następuje rozdzielanie minerałów ciężkich, używa się bromoformu. Jednak ze względu na szkodliwe oddziaływanie na zdrowie obecnie coraz to powszechniej stosuje się rozdzielanie w wodnym roztworze poliwolframianu sodu.

Ś r e d n i c a b a d a n e g o m a t e r i a ł u . Zazwyczaj badana jest frakcja 0,25-0,1 mm. Jednak niekiedy dolną granicą jest średnica 0,12 lub 0,16 mm.

Nie wpływa to w większym stopniu na wynik analizy i zakres wnioskowania.

Dla osadów drobnoziarnistych zakres średnicy analizowanych ziam może być

przesunięty do frakcji 0,1-0,06 mm. Rzadziej stosowane jest badanie materiału w zakresie średnic 0,06-0,01 mm. Niekiedy analizy wykonywane są we frakcji 0,25-0,06 mm czy też dla wszystkich składników o średnicy poniżej 0,1 mm (niekiedy nawet < 0,25 mm). Ponieważ istnieją zmiany składu minerałów ciężkich w zależności od średnicy ziam minerałów ciężkich, porównania wyników analiz prowadzone muszą być dla analogicznego zakresu średnic.

F o r m a p o d a w a n i a w y n i k ó w . W przypadku badania minerałów cięż­

kich w pełnym zakresie średnic (np. < 0,25 mm) wyniki analizy podawane są w „procentach objętościowych”. Jednak, gdy rozpatrywana jest jedna konkretna frakcja, rezultaty prezentowane są w „procentach ilości ziam”. Uzyskane w ten sposób wyniki przeliczane mogą być na „procenty wagowe” (np. Iłaszeski, Raci- nowski 1979). W badaniach osadów czwartorzędowych Polski opemje się zasad­

niczo „procentami ilościowymi”.

Według klasycznej metodyki podanej w podręczniku Milnera (1962), aby oznaczenia minerałów ciężkich były statystycznie wiarygodne, powinno prowadzić się obserwacje w 12-15 polach danego preparatu, a sumaryczna ilość oznaczonych składników wynosić ma 500-1000 ziaren lub więcej. W Polsce zasadniczo ozna­

czenia minerałów prowadzi się wzdłuż szeregu losowo dobranych linii pomia­

rowych, kończąc analizę, gdy określi się 200-300 ziam minerałów przezroczystych.

Ilość ta w połączeniu z liczonymi minerałami nieprzezroczystymi, konkrecjami i innymi składnikami (muskowit, chloryty) wynosi zazwyczaj 800 do 1600 skład­

ników. Liczebność taka w zasadzie jest wystarczająca do uzasadnionego sta­

tystycznie wyniku analizy (np. Griffiths 1967, Racinowski 1972).

P r e z e n t a c j a s k ł a d u m i n e r a l n e g o . Najczęściej spektrum mine­

rałów ciężkich podawane jest dwuczłonowo. Na wstępie minerały dzieli się na

„klasy”. Są nimi następujące: 1. minerały nieprzezroczyste, 2. konkrecje i agregaty, 3. łyszczyki (muskowit, chloryty), 4. minerały przezroczyste (bez łyszczyków).

Dodatkowo wydzielana może być „klasa” glaukonitu. Bardzo często minerały nieprzezroczyste są łączone z „klasą” konkrecji i agregatów. Bardziej szczegółowo badana jest tylko „klasa” minerałów przezroczystych, w której określane są w „gru­

py” mineralne. Zazwyczaj są to: amfibole, biotyt, cyrkon, dysten, epidoty (łącznie z zoizytami), granaty, pirokseny, rutyl (łącznie z innymi przezroczystymi skład­

nikami tytanowymi), silimanit, turmaliny, inne minerały (np. andaluzyt, apatyt, monacyt, oliwiny, topaz). Do klasy minerałów przezroczystych dołączane są często chloryty i glaukonit.

U k ł a d y m i n e r a l n e . Niekiedy wskazane jest operowanie pojęciami, które w sposób jednoznaczny prezentują układ zawartości składników w „klasie” mine­

rałów przezroczystych. Stanowi to kolejność występowania „grup mineralnych” ze względu na zmniejszanie się ich udziałów w badanej w próbce (lub zbiorze próbek).

Do tego celu nadaje się zmodyfikowana metoda Kukukazu Doi pozwalająca wydzielić trzy podzbiory składników: minerały wiodące, wspomagające i uzu­

pełniające (Racinowski 2002). Minerały wiodące są pierwszymi składnikami

w układzie, których suma przekracza 50%. Pojedynczo w spektrum mineralnym występują one zazwyczaj w udziale powyżej 20%. W tekście opisywać je można dużymi literami. Jeżeli jeden z nich występuje w udziale powyżej 50%, stanowi on minerał dominujący. Pozostałe składniki w spektrum zbliżone ilościowo do ostat­

niego wyrazu składnika wiodącego określa się jako minerały wspomagające.

W tekście podawać je można w nawiasie dużymi literami. Zawartość ich w spektrum mineralnym wynosi zazwyczaj 5-20%. Pozostałe minerały, które ze względu na swoją specyfikę mogą mieć istotne znaczenie w rozważaniach litologicznych, określane są jako minerały uzupełniające i występują najczęściej w udziale < 5%.

W tekście oznaczać je można w nawiasie małymi literami.

Z R Ó Ż N I C O W A N I E S K Ł A D U P R Z E Z R O C Z Y S T Y C H M I N E R A Ł Ó W C I Ę Ż K I C H W Z A L E Ż N O Ś C I O D B A D A N E J Ś R E D N I C Y

We wszystkich czwartorzędowych osadach Polski występują podobne pod względem jakościowym minerały ciężkie, jednak w zależności od badanej średnicy ich ilość jest zróżnicowana. Mimo że zmienności tej nie można w sposób jedno­

znaczny określić wzorami regresji, to jednak w sensie ogólnym obserwuje się pewne prawidłowości.

W g l i n a c h z w a ł o w y c h (tab. 1) wraz ze zmniejszaniem się średnicy wzrasta udział cyrkonu, rutylu, częściowo epidotu. Wyraźną tendencję do obniżania zawartości wykazują amfibole i granaty. Biotyt z chlorytem w badanych frakcjach wykazują dużą zmienność.

W piaszczysto-żwirowych o s a d a c h f l u w i o g l a c j a l n y c h (tab. 2) jest podobna tendencja zróżnicowania spektrum mineralnego jak w glinach zwałowych.

Zauważa się jednak, że w miarę zmniejszania się średnicy maleje również udział biotytu i chlorytu.

Bardziej wyraźnie zróżnicowanie składu mineralnego w zależności od wiel­

kości badanej frakcji jest w rumowisku podlegającym dyferencjacji w s t r e f i e b r z e g o w e j polskiego Bałtyku. W p o d b r z e ż u (tab. 3) wraz ze zmniejszaniem się średnicy wzrasta zawartość cyrkonu, rutylu i epidotu, maleje udział amfiboli, biotytu i piroksenu. W s t r e f i e p o t o k u p r z y b o j u (tab. 4) w podobnym kierunku wielkości średnic wzrasta zawartość cyrkonu i rutylu, natomiast maleje udział amfiboli, piroksenów, staurolitu. Analogiczne prawidłowości są charakte­

rystyczne dla rumowiska p l a ż y (tab. 5, 6) oraz w y d m n a d b r z e ż n y c h (tab. 7). W sposób wyraźny stwierdza się, że tendencje zróżnicowania zawartości przezroczystych minerałów ciężkich w strefie brzegowej morza nawiązują ściśle do wyznaczonych przez wyjściowe osady plejstoceńskie. Charakterystyczne jest rów­

nież, że najwyższa koncentracja granatu w całym rumowisku strefy brzegowej morza występuje we frakcji 0,25-0,1 mm.

Tab. 1.Średni procentowy skład minerałów ciężkich w glinach zwałowych z wierceń dla Polski środkowej wyliczony na podstawie 300 próbek z wierceń PIG: Strupczewo, Piaski, Brzozówka, Popielżyn, Świercze, Tyszki, Dobiesz, Borowie Mean percentage of heavy minerals in glacial tills from drillings done by State Geological Institute on Central Poland (calculated on the basis the of 300 samples):Strupczewo, Piaski, Brzozówka, Popielżyn, Świercze, Tyszki, Dobiesz, Borowie MINERAŁY PRZEZROCZYSTE (Z = 100%)

- 0,3 rr cT •O

0,9 0,8 CS

0,7

TM r-^

1,3 4,4 3,1

es" 0,6

ST -

1,6 2,5 0,6

- 0,7 0,5 0,3

oć 2,2 2,3 2,0 0,7 9,0

(N 15,2 «/Y (N

CL OO

1,6

<N 0,7

CS 0,6 0,9 0,3

GR 37,6 10,2 30,5

«/"T 23,3 3,0 16,7 3,0

W 2,6 6,2 tn

7,6 ^Os© 3,3 SO

D CN

1,3 2,6 <N

0,7 0,5

U i/D

O 0,6 2,9 <N

12,3 36,7 5,5

B+CH 26,0 9,2 16,6 5,9 26,1 3,6 CP

oo" 6,9

AM 22,0 9,0 28,7 5,3 12,0 2,3 3,6 0,8

KLASY MINERALNE H 15,6 6,0 48,9 12,9 51,4 7,9 49,0 6,0

5 3,2 2,5 8,2 3,9 2,0 1,0 0,4

O+K 81,2 CO

r** 42,9 12,0 46,6 50,0 13,0

CECHY

X C/3 X C/D X X CO

FRAKCJE w mm 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,06 0,06-0,01

« co 8® o ’c 2 T3

C D0 4

1 s

N0

1

CL S

£ £ I—<u ę X w . * .

ÓD

I O

i <L>

U Ol U O o

■G* ‘3 ^

>. C N

U O O

O M O

X O — U§ N

^ » e

■e i ^ .« o

r h c

'o

■&.= .1

i .s

O fi i

% £ s 2 > .h o -o „

T 11

i ° . ! |

P ws G

I&

I

K f i

u g o

p , ea <i/3

a m o

c o i i

>. H ś I " ^ *.0) 1 0) ,£3

S i ^ v

5 E - S

J t 3 _ c

® i

&S c & i s>

9 . - 0 tę ^3 2 s

jg cd .2 s5’S_C ^<L_~⁾

M % -g O_{g T3}

■a ° i i

CL C ^

g « - I

0 is73

£ ?

CL 1

1 <»

CL of

.t- ca

2 ,,

4) N ^

C J2 C

*3 £ H

| i 1

§ I I [3 S X Cu „ . . 22 W2 CA

§ 1 8

i e _{i ca ca} 5

' ód o H | Uh

w

oj O 2

1 4f S

? § ę

„ o ■£

« 3 5

> w> 8

3 O_{1 U}

N

I

< CL

T3 ~

y— C c/3

^ ca u , ia C

C/3 <U X

O

J

p *q, 3

& « 2 c i , O rn 1 0 ^ ^

1 8 C

. j Ct —1

X w

A l i 2 1 M«

1 0 = 3

c § i

£ H 55

Ł n o

2 I «

§ O o

£j , fa

7 * 3g o s

O • p V3

« I 11 x H

O ° ^

« J, js

2 o 2

o T, « c <u .£

g -2 6

£ . 2 0

° X) 'g

c I s

• 2 CQ ~

13 « fcO ;tS X

Z a o

a f l

o i ^

*ZS Oh 0)

3 »f E

o. " I X O j

w xi on deviation, R - range between extreme values

Tab. 2. Średni procentowy skład minerałów ciężkich w piaszczysto-żwirowych osadach fluwioglacjalnych zlodowacenia północnopolskiego z obszaru Polski północno-wschodniej wyliczony na podstawie150 próbek Mean percentage of heavy minerals in sandy-gravel fluvioglacial deposits of Wiirm glaciation based on150 samples MINERAŁY PRZEZROCZYSTE (S = 100%)

- O 0,4 OO

O 0,9 o 00

o' ^{t o}

TM ^sO 1,6 •n

c o <N 2,2 ^CS

ST

<N

•O - ^CS

0,6 0,6

0,7 0,9 4,1 2,7 5,9 2,8 ^Os_Os 3,2

O, 7,2 4,2 4,1 2,2 3,0 ⁰⁰ 0,7 0,7

GR 31,6 16,1 29,5 12,9 22,6 8,9 17,7 6,4

W 3,6 2,3 •o 3,6 7,0 2,9 6,0 2,2

a ^{CS <N} 2,2 ^t/Y _CN 1,8

CS co

o 0,3 0,5 3,6 2,0 12,7 5,9 21,7 ^Os

B+CH 32,1 20,6 27,4 17,5 27,0 13,8 24,0

00

AM 19,5

00 17,9 ON

•rf 14,7 5,8 13,6 00

KLASY MINERALNE H 30,6 ^{c o}

o"

46,6 9,8 58,0 10,2 48,7

o 3,0 3,0 2,9

c o <N

•O 1,6

O+K 66,4 ^Os 50,5

a s 40,6 10,5 49,8 9,9

CECHY

X ^C/D X C/D X cz> X <Z>

FRAKCJA w mm 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,06 0,06-0,01

1 $ a .£

•a ?

. r 5b

eS c c o

N O

o

cd O

'S e_{0) C/3}

'£ 13

‘1/3 H

«* 2

^ I O S

Tab. 3. Średni procentowy skład minerałów ciężkich w rumowisku podbrzeża Bałtyku na Pomorzu Zachodnim wyliczony na podstawie 289 próbek (wg R. Racinowski, Prace Naukowe PS, 4, 1974) Mean percentage of heavy minerals in sediment material of Baltic Sea nearshore in Western Pomerania calculated on the basis of 289samples (according to R. Racinowski, Prace Naukowe PS, 4. 1974) MINERAŁY PRZEZROCZYSTE (X = 100%)

- 1,6 1,34 2,7 1,49 1,0 4,53

TM (S

0,65

c i O°o, o"

V© O

ST 2,2 1,10 2,2 1,39 0,75

U, 0,4 0,49 3,2 1,50 5,6 2,02

Oh t->"

OO

Osci 3,7 1,86 3,4 1,60

GR 40,6 15,47 39,4 12,51 38,8 8,74

W 5,0 1,74 7,7 2,81 9,6 2,59

Q 2,7 ^OO_OO

o' 3,5 ^SO 2,7 1,26

U 0,1 0,25 4,0 2,02 15,8 5,88

B+CH 15,9 7,73 12,7 4,30 4,0 2,34

AM 23,2 5,96 18,8 4,05 16,4 5,55

O+K 59,1 7,35 45,6 ^OO_OS 39,5 LtL

CECHY

X ^C/3 X ^C/3 X ^C/3

FRAKCJA w mm 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,06

3

■a

Tab. 4. Średni procentowy skład minerałów ciężkich w rumowisku potoku przyboju Bałtyku na Pomorzu Zachodnim wyliczony na podstawie 118 próbek (wg R. Racinowski, Prace Naukowe PS 4, 1974) Mean percentage of heavy minerals in sediment material of rip stream in the Baltic Sea in Western Pomerania calculated on the basis of 118 samples (according to R. Racinowski, Prace Naukowe PS 4, 1974) MINERAŁY PRZEZROCZYSTE (Z = 100%)

- 3,2 1,46

r n 1,34 3,0 1,70

TM 3,4 1,57 3,4 1,53 3,2 1,54

ST 5,9 3,76 3,5 1,58 r-;

1,64

05 0,6 -'3-oo

O 3,16 8,2 2,53 ______.

_

Oi 6,2

r n 3,4 1,45 2,5 2,29

GR 31,8 10,90 38,4 16,16 30,8 15,70

W 6,5 3,33 6,2 2,04 4,5 2,33

O 3,9 1,76 3,9 1,84 2,7 1,36

U 0,6 0,49 6,6 3,48 21,7 LtL

B+CH

O 4,42 9,2 4,29 10,3 5,04

AM 27,5 7,84 16,9 6,68 3,76

O+K 55,5 11,9 37,9 13,74 46,7 5,57

CECHY

X ^(Z) X ^C/3 X ^C/3

FRAKCJA w mm 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,06

O

(J w

/ £

<*> 2

CQ Ł

■2 £ j=

O-O. - g MINERAŁY PRZEZROCZYSTE (I =100%)

- 2,3 0,67 2,3 0,72 1,6 0,85

TM 1,8 0,83 2,5 0,87 2,0 0,82

ST Z‘Z 0,86 00

0,90 co

0,47

U, 0,78 oo

co 1,36 6,7 o '

CU 6,0 1,54 en r-^

2,3 1,25

GR 41,1 9,13 50,9 15,65 41,9 8,30

W 5,6 1,83 5,4 1,75 5,5 2,10

Q 3,3 2,60 3,6 - 2,8 1,42

U 00

o ' 0,39 5,9 1,50 ON O OO

B+CH 13,4 5,22 7,9 4,99 7,2 3,33

AM 22,0 SO

12,4 6,16 9,6 2,96

O+K 61,6 6,33 47,8 5,65 50,8 5,54

CECHY

2 Cfi 2 cn 2 C/3

FRAKCJA w mm 0,50-0,25 0,25-0,10 0,10-0,06

'5b>