I sidste nummer af Wat On Earth behandlede jeg klassifikationen af magmatiske (eller ilddannede) bjergarter. I dette nummer vil jeg gerne udforske emnet sedimentære bjergarter. Dette er den anden store familie af bjergarter, og de er af interesse for mennesker, fordi de har leveret mange redskaber i fortiden og i dag giver os de fleste samlede ressourcer samt leverer (eller huser) mange af vores energimineraler og visse essentielle mineraler af stor økonomisk betydning. Sedimentære bjergarter er også af betydning, da de rummer de fossile optegnelser over livet på planeten Jorden.
Som navnet antyder, er sedimentære bjergarter afledt af allerede eksisterende sedimenter. For to numre siden beskrev jeg i WAT ON EARTH bjergarternes cyklus; hvordan bjergarter nedbrydes fra endnu ældre bjergarter ved forvitring og erosion. De frigjorte korn transporteres eller bæres af forskellige mekanismer til et sted, hvor de ophobes i sekvenser af sedimenter. Der er mange midlertidige hvilesteder, men i sidste ende ender de fleste sedimenter i et marint aflejringsmiljø. Sedimentære bjergarter kan derfor bestå af korn af forskellige størrelser, former og sammensætninger, der er blevet cementeret sammen eller komprimeret og omkrystalliseret. Det er de klastiske sedimentære bjergarter. Andre sedimentære bjergarter kan være dannet af aflejringer, der er udskilt af kemiske opløsninger (kemiske udfældninger), eller af aflejringer, der er dannet af rester af døde organismer (både dyr og planter). Denne sidste gruppe danner sedimentære bjergarter af overvejende biologisk oprindelse. Ændringen fra sediment til sedimentbjergart efter aflejring kaldes diagenese, og slutresultatet er normalt lithificering, hvor det tidligere ukonsoliderede sediment bliver til sten. Der er to almindelige processer: komprimering (hvor sedimenterne komprimeres, og vand trækkes ud af porerummene mellem kornene) og cementering. Cementering er den proces, hvor visse mineraler (f.eks. calcit, jernoxider og siliciumdioxid) transporteres af det nedsivende grundvand ind i porerummene. Her udfældes de og cementerer i sidste ende kornene sammen.
Som i det sidste eksemplar af Wat On Earth er midtersiden i dette nummer afsat til en illustration af mange af disse forskellige bjergarter. På den modsatte side illustreres flere træk, der er forbundet med sedimentære bjergarter.
Med uret rundt på siden: øverst til venstre – foto af en gruppe studerende fra Waterloo, der undersøger et afsnit af karbonlagene ved Mullaghmore Head i Nordirland. Afsnittet består af skiftevis sandsten, siltsten og skifersten. De blødere skifersten er blevet lettere eroderet, mens sandstenene skiller sig ud som modstandsdygtige lag. Diagrammet øverst til højre illustrerer de sedimentære bjergarters (2) placering i bjergarternes kredsløb. Bemærk, at der er en tilførsel fra rummet, som især bidrager til marine sedimenter. Umiddelbart under diagrammet over bjergarternes cyklus er der et diagram, der illustrerer Wentworth-klassifikationen med hensyn til kornstørrelse, og hvordan sedimenterne danner forskellige sedimentære klastiske bjergarter. Sammenlign dette diagram med de to første kolonner (sedimenter og bjergarter), der udgør “klastiske bjergarter” i det midterste diagram. Det tredje og nederste diagram illustrerer nogle af de vigtigere sedimentære bjergarter, som enten er af kemisk eller biologisk oprindelse. De fleste af disse er også illustreret på den midterste side. Det nederste fotografi illustrerer Delicate Arch i Arches National Monument i Utah. Denne 26 m høje og 20 m brede struktur består af Entrada-sandsten fra den øvre jurassiske alder. Den er opstået ved erosion af “finner” af det lokale grundfjeld, som er blevet skåret væk af vind og frost. Umiddelbart ovenfor ses et kig nedad Niagara Gorge, hvor vandet fra Erie-søen falder over kanten af den siluriske Lockport-dolomit på Niagara Escarpment. Hvert af fotografierne illustrerer geomorfologi i forbindelse med sedimentære formationer af forskellig alder.
Centret folder side: Det er ret enkelt at forstå sedimentære bjergarter, da de relaterer til materialer, som vi ser dagligt. Øverst er der en panoramaudsigt over en af de mest spektakulære eksponeringer af sedimentære bjergarter i verden, i de øverste niveauer af Grand Canyon. Stort set alle de klipper, man kan se, er horisontale sandsten, kalksten og skifersten, der er aflejret i løbet af ca. 250 millioner år i havene i den palæozoiske æra. De samme have blev beboet andre steder af de gigantiske trilobitter, der er illustreret i en anden artikel i dette nummer.
Nederst på den midterste side har jeg forsøgt at illustrere de fleste almindelige bjergarter. Et par stykker er mere “eksotiske”, men de er også vigtige. Skemaet er inddelt i tre afsnit, der vedrører klastiske, kemisk udfældede og biologiske sedimentære bjergarter. Den venstre blok består af en dobbeltkolonne. Den første kolonne illustrerer eksempler på sedimenttypen (se tilbage til diagram 2 på forrige side), og den anden kolonne til deres lithificerede ækvivalent. Kantede klumper (stenfragmenter) stammer normalt fra frostknusning. Fragmenterne har ikke bevæget sig langt og flyttes normalt under tyngdekraften, idet de falder ned fra bjerge og ophobes i form af grusbunker eller taluskogler i bunden af skråninger. Deres modstykker findes i den bjergart, der er kendt som breccia. Når erosionsmidlerne kommer i spil og transport finder sted, især med vand, bliver de kantede klumper slidt og danner afrundede stenblokke eller brosten. Den tilsvarende bjergart er kendt som et konglomerat. Ved transport over lange afstande reduceres klumpernes størrelse gradvist fra granulat til sandstore partikler. Den tilsvarende bjergart er sandsten. Disse er ofte cementeret af forskellige mineraler, calcit, jernoxider eller silica. Sandstenen får da en sekundær betegnelse som f.eks. “kalkholdig sandsten” eller “jernholdig sandsten”. En sandsten består normalt af silikatkorn. Når disse korn er cementeret af silica, får man en anden betegnelse – kvartsit (se billedet til højre af sandsten). En bjergart, der ikke er illustreret, er en arkose – en sandsten, hvor mere end 25 procent af stenen består af feldspat. Sådanne bjergarter er normalt dannet i bjergområder i relativt tørre miljøer. Tørre, fordi klumperne ikke er blevet alt for meget nedbrudt (under varme, våde forhold bliver feldspat ofte let forvitret). Kornenes kantede karakter tyder på, at transporten ikke har været så vigtig.
Hvorimod, hvis sedimentet fortsætter med at blive transporteret, reduceres kornstørrelsen endnu mere, og der dannes silt. Partikelstørrelserne er nu ved at nå et punkt, hvor de let kan transporteres af både vind og vand. Det vindtransporterede sediment, der akkumuleres som løss, falder ind under denne kategori. Den bjergart, der er kendt som siltsten, er dannet af meget fint kvarts, glimmer og andre forskellige mineraler og er den lithificerede ækvivalent til silt. Endelig er den fineste fraktion i det klastiske størrelsesområde ler. Disse fragmenter er så små, at de forbliver i suspension i lang tid og normalt først bundfældes, når de er vokset sammen og har dannet større partikler. Når de samler sig, kaldes den lithificerede bjergart for skifer. Meget organiske ækvivalenter kan danne meget sorte skifersten med en karakteristisk “olieagtig” eller “petroliferagtig” lugt, da de er meget rige på kulstof og aromatiske forbindelser. De danner fossiliferiske og “olieskifer”, som kan være fremtidige kilder til olie.
Den anden dobbeltkolonneblok illustrerer bjergarter, der er dannet af kemiske aflejringer. Sådanne bjergarter dannes, hvor materiale transporteres i opløsning til det sted, som oftest et havbassin eller en sø i et ørkenområde, hvor vand fordamper. Opløsninger af visse ioner udfældes og danner bjergarter, der er rige på calcium, magnesium, silica, natrium og (mere tidligere) jern. Nogle af disse er illustreret, begyndende med de calciumrige udfældninger. Kalksten er et vigtigt eksempel. Al kalksten sprudler let, når der anvendes fortyndet (10 % opløsning) saltsyre, da syren reagerer med calciumkarbonaten. Det viste eksempel er en grå, finkornet kalksten med hvide årer af calcit, der løber gennem den. I varme tropiske farvande kan rigeligt calcium i opløsning i havvand, der er udsat for stærke strømbevægelser, udfældes omkring meget små skalfragmenter. Disse kan danne oolitiske kalksten, hvor små kalciumkarbonatkorn har lag af kalcit, der er aflejret koncentrisk omkring en kerne.
Doloston, en bjergart, der består af calcium og magnesium, er nært beslægtet med kalksten, hvor magnesium fra havvandet normalt erstatter en stor del af det oprindelige calciumindhold i en allerede eksisterende kalksten. Sure reaktion er langsommere. Dolostoner kan ses tæt på Waterloo i visse klippesekvenser langs Niagara Escarpment. Travertin og tufa (stærk syrereaktion) er kemisk udfældede bjergarter dannet af calciumcarbonat. Travertin er normalt tæt og båndformet, mens tufa er mere svampet. Travertin (i form af speleothemer) ses hyppigst i grotteaflejringer, især i de spektakulære formationer, der er kendt som drypsten, strømsten, stalaktitter, stalagmitter, heliktitter og søjler.
I kalksten og dolosteiner kan man ofte se lag eller knuder, der består af silica. Det er lag af kert, eller, i kridtetsens tilfælde, flint. Flint er blevet brugt siden palæolitisk tid med velkendte masseproduktionssteder for spydspidser, skrabere, pilespidser og redskabssæt beskrevet i den arkæologiske litteratur fra det østlige England. Indtil for nylig blev de også anvendt i skydevåben (flintgeværer) og til opførelse af bygninger, hvor denne stenart er almindelig. Kertesten fra kalksten- og dolostonlag langs Niagara Escarpment blev brugt af palæo-indiske jægere af karibuer, mastodonter og mammutter i det sydvestlige Ontario. Både flintesten og kersten er normalt grå i farven (selv om de kan variere fra næsten hvidt til næsten sort eller endog rødt) og spaltes med et jævnt til let kegleformet brud. Det eneste, de har til fælles, er, at de kan formes af dygtige værktøjsmagere og bevarer en utrolig skarp kant i lang tid.
Gips er en kemisk udfældning (vandholdigt calciumsulfat), der ofte findes i lag af mergel, en calciumrig, lerdomineret bjergart. Lag af mergel, der indeholder gips og stensalt, blev oprindeligt aflejret i områder med høj fordampning, som blev oversvømmet af havvand. Sådanne områder kan i dag ses langs dele af den subtropiske Persiske Golf. Klippesalt (der næsten udelukkende består af natriumklorid) er et vigtigt økonomisk mineral. I Ontario findes det omkring Windsor og nordpå til Goderich (se WAT ON EARTH 14 (2) Spring 2001). Der findes også saltforekomster i de maritime provinser og også i det vestlige Canada. De vestlige canadiske saltforekomster domineres af et andet økonomisk vigtigt, rød- og hvidfarvet salt, der er rig på kalium, kendt som sylvite. Den sidste bjergart, der er illustreret i denne gruppe, er den rød- og gråbåndede sedimentære jernsten, der er almindelig i området omkring den øvre del af Lake Superior. Der findes en omfattende litteratur i forbindelse med disse aflejringer (Blatt et al., 1980), men generelt er de af prækambrisk alder og normalt mellem 2600 og 1800 millioner år gamle. Nogle er betydeligt ældre, og nogle få små aflejringer er yngre. De er karakteriseret ved tynde og tykke bånd af skiftevis jaspis (rød kert) og magnetit- og hæmatit-rige lag af jern. Andre former for jern kan også veksle med de kertede horisonter. Disse er økonomisk vigtige bjergarter og er kilden til store jernforekomster på begge sider af grænsen mellem Canada og USA.
Den tredje blok af billeder omfatter almindelige sedimentære bjergarter, der har en stærk biologisk komponent. Som jeg nævnte, da jeg diskuterede magmatiske bjergarter, afskyr naturen at blive “opdelt”, og nogle af disse “kasser” overskrider grænserne. Havvand indeholder imidlertid store mængder kalciumkarbonat, som ikke blot udfældes til dannelse af kemiske sedimentære bjergarter, men også udnyttes af organismer, der bygger karbonatskaller. Når de dør, kan skallerne danne enorme aflejringer af skaldetritus, der ofte bliver bevaret som “skeletkalksten”. Dette kan i dag ses i form af coquina (som næsten udelukkende består af komplette eller ødelagte ventiler fra den marine lavvandede pelecypode Coquina). Tidligere var muslinger ikke så almindelige, som de er i dag. Illustrationen “Shelly Limestone” viser brachiopoder i en devonisk karbonatudfældning af mudder fra Arkona-regionen i det sydvestlige Ontario. Crinoidal kalksten (ikke illustreret), består af fragmenter af stængler af crinoider (Echinodermata) og danner shelly-detritus-bånd i visse klipper langs Niagara Escarpment. Koraller, der består af resterne af utallige trillioner af karbonatudskillende polypper, danner i dag massive aflejringer som i Great Barrier Reef, men også i en mere fjern geologisk fortid. Mange af boringerne efter olie og naturgas i det sydlige Ontario (og andre steder) er rettet mod små koralrev med koraller og algesamfund, hvor porøsiteten i og mellem de fossile organismer har gjort det muligt for disse energimineraler at ophobe sig. Kridt er en særlig ren kalksten, og fortyndet saltsyre, der anvendes på denne bjergart, giver en ekstremt kraftig reaktion. Kridt blev oprindeligt dannet som ooze fra havbunden og består af resterne af trillioner af foraminifera-organismer, der kaldes coccolither. Ved siden af billedet af kridt er der vist billeder af elektronscanning, hvor den centrale, cremefarvede organisme er et eksempel på den moderne kalkholdige foraminifera kaldet Globigerina.
Den næste blok af fire billeder (fra tørv til antracit) illustrerer et andet energimineral – kul. Kul er resultatet af ophobning af vegetation under anaerobe forhold. Detritus dannes i sumpe eller laguner og skaber et vandmættet organisk tørvelag af tørv. Med tiden og med komprimering fra de overliggende sedimenter mister tørven vand og andre flygtige stoffer. Fugtindholdet falder, kulstofindholdet stiger, og tørven forvandles til brunkul eller brunkul. Det er kul af lav kvalitet, ofte med et højt svovlindhold, som ikke egner sig til langdistancetransport og er udsat for selvantændelse. De udgør de typer kul, der findes i det sydøstlige Saskatchewan og mange af de kul, der findes i det østlige Tyskland. Ved yderligere komprimering og belastning stiger kulstofindholdet fortsat, flere flygtige stoffer forsvinder, det potentielle energiproduktionspotentiale stiger, og der dannes et mat til skinnende kul, der kaldes bituminøst kul. Dette er et fremragende dampkul, og det var det dominerende kul, der drev den industrielle revolution i Storbritannien i det første århundrede af den industrielle revolution. I de vestlige canadiske provinser og i de tidligere mineområder i New Brunswick og Nova Scotia blev der udvundet bituminøst kul. Det bruges normalt til metallurgisk råmateriale og anvendes til produktion af elektrisk energi. Det sidste trin af kul som energimineral er antracit, et hårdt, skinnende kul, som er vanskeligt at brænde, medmindre det knuses. Dette kul udvindes i Pennsylvania og anvendes i elproduktionen som råmateriale, når det blandes med bituminøst kul. De ændringer, der følger med tabet af flygtige stoffer, forøgelsen af kulstof og stigningen i varmeproduktionen, beskrives som en ændring i kulets rang.
De to sidste billeder illustrerer skiferbjergarter, der har et højt organisk indhold, men som ikke defineres som kul. Fossile skifersten kan indeholde rigelige mængder fossiler (især plantemateriale, men de kan også indeholde andre, f.eks. ammonitter). Olieskifer (som f.eks. dem, der findes i et bælte fra Bowmanville øst for Toronto til Collingwood-området nær Owen Sound i Ontario) indeholder rigeligt med fossiler af trilobitter og andre dyr fra Ordovicium. Sådanne forekomster, selv om de ikke nødvendigvis er af samme alder, findes i mange dele af verden og kan udgøre fremtidige energikilder eller petrokemiske råstoffer.
Siden efter midtersiden indeholder illustrationer af flere af de emner, der er nævnt i beskrivelserne af de sedimentære bjergarter ovenfor.
Overste række, fra venstre til højre. Alle er eksempler på kemisk aflejret silica: Håndøkse lavet af flint, Swanscombe, Kent, UK; Flintknude (knoldet hvid konkretion), der forvitrer fra en blødere kridtmatrix; Tre chertspidser af Clovis-typen fra Brophey-området nær Parkhill, Ontario. Den største er 10 cm lang.
Centerrækken, fra venstre til højre: En stor stalagmit (bemærk “g” vokser op fra jorden) bestående af drypsten (kemisk udfældede calciumkarbonataflejringer); Stalaktit (bemærk “c” vokser ned fra loftet i en grotte), med lysindfangende calciumladet vand på vej til at dryppe fra spidsen; en ejendommelig, forvredet, stalaktisk form af drypsten, kendt som en helictit, også lavet af calciumkarbonat. Bemærk, at den til dels endda vokser opad!
Underste række, fra venstre til højre; vug (hulrum) med kvarts i midten af hulrummet i kalksten; nogle meget store kemisk udfældede konkretioner ved Moeraki, Sydøen, NZ; mos-lignende dendritter. Disse er manganudfældninger på en kalksten og har ingen forbindelse med organisk vækst.
Alan V. Morgan
En ny udforskning af det canadiske Arktis
Ronald E. Seavoy
Denne nye bog er et meget læseværdigt udforskningseventyr i det canadiske Arktis. Forfatteren arbejdede som efterforskningsgeolog for International Nickel Company i 1960. Bogen beskriver nye efterforskningsteknikker, som begyndte at blive afprøvet i midten af 1950’erne. Ronald Seavoys efterforskningshold brugte fly, helikoptere og geofysik i løbet af den sommer. Lupin-guldforekomsterne blev opdaget. Bogen præsenterer også læseren for nogle af de interessante naturfænomener, som man stødte på under efterforskningen.
Detailpris $17,95 canadisk
Hancock house Publishers
www.hancockhouse.com
ordrer:
[email protected]