Шкала Вентворта

Шкала Вентворта — это классификация размеров обломочных горных пород (осадочных отложений), используемая для определения гранулометрического состава рыхлых и сцементированных осадочных образований. Шкала основана на логарифмической последовательности размеров частиц, где каждый последующий класс примерно вдвое крупнее предыдущего. Разработана американским геологом Честером К. Вентвортом в 1922 году и является одной из наиболее распространённых систем классификации в геологии, инженерной геологии, почвоведении и седиментологии.

История создания

До начала XX века единой универсальной шкалы для описания размеров обломочных частиц не существовало. Разные исследователи использовали собственные системы, основанные на произвольных границах (например, «песок», «галька»), что затрудняло сравнение данных. В 1922 году Честер К. Вентворт, работавший в Геологической службе США, опубликовал статью «A Scale of Grade and Class Terms for Clastic Sediments», в которой предложил логарифмическую шкалу с основанием 2. Идея заключалась в том, чтобы каждый последующий класс имел размер, ровно в два раза больший или меньший предыдущего. Это обеспечивало математическую строгость и воспроизводимость результатов. В 1929 году шкала была модифицирована и дополнена Дж. А. Уденом, который ввёл понятие «фи-единицы» (φ) — логарифмического преобразования диаметра частицы, что сделало шкалу ещё более удобной для статистической обработки.

Принцип построения

Шкала Вентворта является логарифмической (по основанию 2). Размер частицы (d) в миллиметрах связан с фи-единицей (φ) формулой:

φ = –log₂(d)

Где d — диаметр частицы в миллиметрах. Таким образом, каждое целое значение φ соответствует удвоению или делению пополам размера. Например:

• φ = 0 → d = 1 мм
• φ = 1 → d = 0,5 мм
• φ = –1 → d = 2 мм
• φ = –2 → d = 4 мм

Использование фи-единиц позволяет применять методы математической статистики (среднее, медиана, стандартное отклонение) для анализа гранулометрического состава.

Классификация частиц по шкале Вентворта

Шкала делит все обломочные частицы на несколько основных классов, от самых мелких до самых крупных. Границы классов установлены по степеням числа 2.

1. Глинистые частицы (Clay)

• Размер: менее 0,0039 мм (менее 4 мкм)
• φ-значение: более 8
• Характеристика: Частицы не видны невооружённым глазом. Обладают пластичностью во влажном состоянии. Основной компонент глин.

2. Алевритовые частицы (Silt)

• Размер: от 0,0039 мм до 0,0625 мм (4–62,5 мкм)
• φ-значение: от 4 до 8
• Характеристика: Частицы различимы под микроскопом. На ощупь напоминают муку. Не пластичны. Образуют алевриты (лёсс, суглинки).

3. Песчаные частицы (Sand)

• Размер: от 0,0625 мм до 2 мм
• φ-значение: от –1 до 4
• Подразделы:
• Очень мелкий песок: 0,0625–0,125 мм (φ = 3–4)
• Мелкий песок: 0,125–0,25 мм (φ = 2–3)
• Средний песок: 0,25–0,5 мм (φ = 1–2)
• Крупный песок: 0,5–1 мм (φ = 0–1)
• Очень крупный песок: 1–2 мм (φ = –1–0)
• Характеристика: Частицы видны невооружённым глазом. Сыпучие в сухом состоянии. Основной компонент песков и песчаников.

4. Гравий (Gravel)

• Размер: от 2 мм до 64 мм
• φ-значение: от –6 до –1
• Подразделы:
• Галька (Granule): 2–4 мм (φ = –1–2)
• Мелкая галька (Pebble): 4–16 мм (φ = –2–4)
• Средняя галька (Pebble): 16–32 мм (φ = –4–5)
• Крупная галька (Pebble): 32–64 мм (φ = –5–6)
• Характеристика: Окатанные или угловатые обломки. Образуют гравий, конгломераты (сцементированный гравий).

5. Валуны (Cobble и Boulder)

• Коббл (Cobble): от 64 мм до 256 мм (φ = –6–8)
• Валун (Boulder): более 256 мм (φ менее –8)

Применение

Шкала Вентворта широко используется в различных областях:

• Геология и седиментология: Для описания и классификации осадочных пород (песчаников, алевролитов, конгломератов). Позволяет стандартизировать полевые описания и лабораторные анализы.
• Инженерная геология: Для оценки грунтов при строительстве. Классификация частиц влияет на такие свойства, как фильтрация, несущая способность, пучинистость. Например, глинистые грунты (частицы < 0,0039 мм) обладают высокой пластичностью и низкой водопроницаемостью, что критично для фундаментов.
• Почвоведение: Для определения гранулометрического состава почв (песок, супесь, суглинок, глина). Это влияет на водный и воздушный режим, плодородие.
• Гидрология и гидротехника: Для оценки русловых отложений рек, расчёта транспорта наносов, проектирования каналов и плотин.
• Археология: Для описания культурного слоя и отложений на памятниках.
• Геоморфология: Для изучения процессов выветривания, эрозии и аккумуляции.

Критика и альтернативы

Шкала Вентворта не лишена недостатков. Основные замечания:

• Дискретность: Границы классов резкие, что не всегда соответствует природным распределениям. Частицы, близкие к границе, могут быть отнесены к разным классам, что вносит погрешность.
• Не учитывает форму частиц: Шкала основана только на диаметре, тогда как форма (окатанность, угловатость) также важна для свойств породы.
• Не подходит для очень мелких частиц: Для коллоидных и субколлоидных частиц (менее 0,001 мм) шкала неэффективна, так как их поведение определяется не столько размером, сколько поверхностными силами.

Альтернативные системы классификации включают:

• Шкала Уддена-Вентворта (модификация с фи-единицами).
• Шкала Фолка (Folk, 1954) — более детальная, с учётом сортировки и формы.
• Стандарт ISO 14688 — международный стандарт для геотехнических исследований.
• Российская классификация (ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация») — основана на процентном содержании фракций, а не только на размере.

Интересные факты

• Шкала Вентворта является основой для многих современных систем, включая классификацию частиц в метеорологии (для описания града) и в астрономии (для описания реголита на Луне и Марсе).
• В России и странах бывшего СССР часто используется классификация, разработанная Н. М. Страховым и В. П. Батуриным, которая отличается от шкалы Вентворта некоторыми границами (например, песок — до 1 мм, а не до 2 мм).
• Термин «фи-единица» (φ) был введён Дж. А. Уденом в 1929 году и до сих пор широко применяется в седиментологии для статистической обработки гранулометрических данных.

Источники

• Wentworth, C. K. (1922). A scale of grade and class terms for clastic sediments. The Journal of Geology, 30(5), 377–392.
• Udden, J. A. (1914). Mechanical composition of clastic sediments. Bulletin of the Geological Society of America, 25(1), 655–744.
• Folk, R. L. (1954). The distinction between grain size and mineral composition in sedimentary-rock nomenclature. Journal of Geology, 62(4), 344–359.
• ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация. — М.: Стандартинформ, 2020.
• Швандер, Ю. А. (2005). Седиментология: учебное пособие. — М.: Изд-во МГУ.