In het vorige nummer van Wat On Earth heb ik de classificatie van stollingsgesteenten (of vuurgevormde gesteenten) behandeld. In dit nummer wil ik het onderwerp sedimentgesteenten uitdiepen. Dit is de tweede grote familie van gesteenten en ze zijn van belang voor de mens omdat ze in het verleden veel gereedschap hebben geleverd en vandaag de dag de meeste aggregaatvoorraden leveren en veel van onze energiedelfstoffen en bepaalde essentiële mineralen van groot economisch belang leveren (of herbergen). Sedimentaire gesteenten zijn ook van belang omdat zij het fossiele verslag bevatten van het leven op Planeet Aarde.
Zoals hun naam al aangeeft, zijn sedimentaire gesteenten afgeleid van reeds bestaande sedimenten. Twee nummers terug in WAT OP AARDE beschreef ik de Rotscyclus; hoe gesteenten worden afgebroken uit nog oudere gesteenten door verwering en erosie. De vrijgekomen korrels worden door verschillende mechanismen gedragen of getransporteerd naar een plaats waar zij zich ophopen in opeenvolgingen van sedimenten. Er zijn vele overgangsrustplaatsen, maar uiteindelijk komen de meeste sedimenten terecht in een marien afzettingsmilieu. Sedimentaire gesteenten kunnen dus samengesteld zijn uit korrels van verschillende afmetingen, vormen en samenstellingen die aan elkaar gecementeerd of samengeperst en geherkristalliseerd zijn. Dit zijn de clastische sedimentgesteenten. Andere sedimentgesteenten kunnen worden gevormd uit afzettingen die zijn afgescheiden door chemische oplossingen (chemische precipitaten), of uit afzettingen die zijn gevormd uit de resten van dode organismen (zowel dieren als planten). Deze laatste groep vormt sedimentgesteenten van grotendeels biologische oorsprong. De post-afzettelijke verandering van sediment naar sedimentgesteente wordt diagenese genoemd, en het eindresultaat is meestal lithificatie, waarbij het vroegere niet-geconsolideerde sediment wordt omgezet in gesteente. Twee processen zijn gebruikelijk: verdichting (waarbij de sedimenten worden samengedrukt en water uit de poriën tussen de korrels wordt gedreven) en cementering. Bij cementatie worden bepaalde mineralen (bijvoorbeeld calciet, ijzeroxiden en silica) door het doorsijpelende grondwater meegevoerd naar de poriën. Daar slaan zij neer en cementeren uiteindelijk de korrels aan elkaar.
Zoals in het vorige exemplaar van Wat Op Aarde, is de middenpagina van dit nummer gewijd aan een illustratie van veel van deze verschillende soorten gesteenten. De pagina hiernaast illustreert verschillende kenmerken van sedimentaire gesteenten.
Rond de bladzijde met de klok mee: linksboven – foto van een groep Waterloo-studenten die een uitsnede van carboonlagen bij Mullaghmore Head in Noord-Ierland onderzoeken. De doorsnede bestaat uit afwisselend zandsteen, siltsteen en leisteen. De zachtere schalies zijn gemakkelijker geërodeerd, terwijl de zandstenen zich onderscheiden als resistente bedden. Het diagram rechtsboven toont de plaats van de sedimentgesteenten (2) in de gesteentekringloop. Merk op dat er een toevoer uit de ruimte is die met name mariene sedimenten toevoegt. Onmiddellijk onder het diagram van de gesteentekringloop staat een grafiek die de Wentworth classificatie illustreert in termen van korrelgrootte en hoe de sedimenten verschillende sedimentaire clastische gesteenten vormen. Vergelijk deze grafiek met de eerste twee kolommen (Sedimenten en gesteenten) die het “Klimgesteente” gedeelte van het middendiagram vormen. Het derde en onderste diagram illustreert enkele van de meer belangrijke sedimentaire gesteenten die ofwel van chemische ofwel van biologische oorsprong zijn. De meeste hiervan zijn ook afgebeeld op de middelste bladzijde. De onderste foto illustreert Delicate Arch in Arches National Monument in Utah. Deze 26 m hoge en 20 m brede structuur bestaat uit Entrada zandsteen van boven-jurassische ouderdom. De structuur is ontstaan door de erosie van “vinnen” van plaatselijk gesteente die door wind en vorst zijn weggesneden. Onmiddellijk hierboven is een blik op de Niagara Gorge waar het water van Lake Erie over de rand van de Silurische Lockport Dolomiet op de Niagara Escarpment valt. Elk van de foto’s illustreert de geomorfologie die samenhangt met sedimentaire formaties van verschillende ouderdom.
Vouwpagina in het midden: Het begrijpen van sedimentgesteenten is vrij eenvoudig, omdat het gaat om materialen die we dagelijks zien. Bovenaan ziet u een panoramisch uitzicht over een van de meest spectaculaire blootstellingen van sedimentgesteenten ter wereld, in de bovenste lagen van de Grand Canyon. Vrijwel al het gesteente dat u kunt zien zijn horizontale zandstenen, kalkstenen en schalies die in de loop van ongeveer 250 miljoen jaar in de zeeën van het Paleozoïcum zijn afgezet. Deze zelfde zeeën werden elders bezet door de reusachtige trilobieten die in een ander artikel in dit nummer worden geïllustreerd.
Lager op de middenpagina heb ik geprobeerd de meeste veel voorkomende gesteentesoorten te illustreren. Een paar zijn meer “exotisch”, maar ook zij zijn belangrijk. De grafiek is verdeeld in drie delen die betrekking hebben op clastische, chemisch neergeslagen en biologische sedimentgesteenten. Het linkerblok bestaat uit een dubbele kolom. De eerste kolom illustreert voorbeelden van het sedimenttype (zie diagram 2 op de vorige bladzijde), en de tweede kolom hun gelithiseerde equivalent. Hoekige clasts (gesteentefragmenten) zijn meestal afkomstig van vorstversplintering. De fragmenten hebben geen grote afstanden afgelegd en worden meestal verplaatst onder invloed van de zwaartekracht, vallen van bergen en hopen zich op als puinhopen of taluskegels aan de voet van hellingen. Hun tegenhangers worden gevonden in het gesteentetype dat bekend staat als breccia. Wanneer erosie en transport, met name door water, optreden, worden de hoekige brokken afgeschuurd en vormen ze afgeronde keien of keien. Het rotsequivalent wordt een conglomeraat genoemd. Door transport over lange afstanden neemt de grootte van de clasts geleidelijk af via korrels tot zandvormige deeltjes. Het rotsequivalent is zandsteen. Deze zijn vaak gecementeerd met verschillende mineralen, calciet, ijzeroxiden of silica. De zandsteen krijgt dan een secundaire descriptor, zoals “kalkhoudende zandsteen”, of “ijzerhoudende zandsteen”. Een zandsteen bestaat normaliter uit silicakorrels. Wanneer deze korrels met kiezelzuur zijn gecementeerd, wordt een andere naam gegeven – kwartsiet (zie de afbeelding rechts van zandsteen). Een gesteente dat niet is afgebeeld is een arkose – een zandsteen waarvan meer dan 25% van het gesteente uit veldspaat bestaat. Dergelijke gesteenten worden gewoonlijk gevormd in montane, relatief droge, milieus. Droog, omdat de korrels niet al te zeer zijn verweerd (onder warme, natte omstandigheden verweert veldspaat vaak gemakkelijk). De hoekige aard van de korrels geeft aan dat transport niet zo belangrijk is geweest.
Als het sediment echter verder getransporteerd wordt, wordt de korrelgrootte nog verder verkleind en wordt slib gevormd. De deeltjesgrootte bereikt nu het punt waarop ze gemakkelijk door zowel wind als water kunnen worden getransporteerd. Het door de wind getransporteerde sediment dat zich als löss ophoopt, valt in deze categorie. Het gesteentetype dat bekend staat als siltstone, is gevormd uit zeer fijne kwarts, mica en andere diverse mineralen, en is het gelithificeerde equivalent van silt. Ten slotte is de fijnste fractie in het scala van clastische afmetingen klei. Deze fragmenten zijn zo klein dat zij lange tijd in suspensie blijven en meestal pas bezinken nadat zij zijn samengesmolten tot grotere deeltjes. Wanneer zij zich ophopen, wordt het gesteentetype schalie genoemd. Zeer organische equivalenten kunnen zeer zwarte schalies vormen met een kenmerkende “olieachtige” of “benzineachtige” geur, omdat zij zeer rijk zijn aan koolstof en aromatische verbindingen. Zij vormen fossiele leisteen en “oliehoudende leisteen”, die toekomstige bronnen van aardolie zouden kunnen zijn.
Het tweede dubbele kolomblok illustreert gesteenten die zijn gevormd door chemische afzettingen. Dergelijke gesteenten worden gevormd waar materiaal in oplossing wordt meegevoerd naar de plaats, meestal een zeebekken of een meer in een woestijngebied, waar water verdampt. Oplossingen van bepaalde ionen worden neergeslagen en vormen gesteenten die rijk zijn aan calcium, magnesium, kiezelzuur, natrium, en (meer in het verleden) ijzer. Enkele van deze gesteenten worden geïllustreerd, te beginnen met de calciumrijke precipitaten. Kalksteen is een belangrijk voorbeeld. Alle kalksteen bruist gemakkelijk wanneer verdund (10% oplossing) zoutzuur wordt toegepast, omdat het zuur reageert met het calciumcarbonaat. Het afgebeelde voorbeeld is een grijze, fijnkorrelige kalksteen met witte aders van calciet die er doorheen lopen. In warme tropische wateren kan overvloedig calcium in oplossing in zeewater dat onderhevig is aan sterke stromingen, neerslaan rond minuscule schelpfragmenten. Deze kunnen oolitische kalkstenen vormen, wanneer kleine korrels calciumcarbonaat lagen van calciet hebben afgezet op een concentrische wijze rond een kern.
Dolosteen, een gesteente dat bestaat uit calcium en magnesium, is nauw verwant aan kalksteen, waarbij het magnesium uit het zeewater gewoonlijk een groot deel van het oorspronkelijke calciumgehalte van een reeds bestaande kalksteen vervangt. De zure reactie verloopt langzamer. Dolostenen zijn te zien in de buurt van Waterloo in bepaalde gesteentesequenties langs de uitlopers van de Niagara Escarpment. Travertijn en tufsteen (sterke zuurreactie) zijn chemisch neergeslagen gesteenten gevormd uit calciumcarbonaat. Travertijn is meestal dicht en in banden verdeeld, terwijl tufsteen sponsachtiger is. Travertijn (in de vorm van speleothemen) komt het meest voor in grotafzettingen, vooral in de spectaculaire formaties bekend als druipsteen, vloeisteen, stalactieten, stalagmieten, helictieten en zuilen.
In kalkstenen en dolostenen ziet men vaak lagen of knobbeltjes die uit silica bestaan. Dit zijn lagen van chert, of, in het geval van het krijt, vuursteen. Vuursteen wordt al sinds het Paleolithicum gebruikt, met bekende massaproductieplaatsen voor speerpunten, schrapers, pijlpunten en gereedschapssets die in de archeologische literatuur uit Oost-Engeland worden beschreven. Zij werden tot voor kort ook gebruikt in vuurwapens (geweren met vuursteensloten) en in de bouw van gebouwen waar dit type gesteente veel voorkomt. Kersten uit kalksteen- en dolosteenlagen langs de Niagara-helling werden gebruikt door Paleo-Indiaanse jagers op kariboes, mastodonten en mammoets in Zuidwest-Ontario. Zowel vuurstenen als cherts zijn gewoonlijk grijs van kleur (hoewel ze kunnen variëren van bijna wit via buff tot bijna zwart of zelfs rood) en gespleten met een gelijkmatige tot licht conchoïdale breuk. Wat ze gemeen hebben is dat ze door vaardige gereedschapsmakers kunnen worden gevormd en gedurende lange tijd een ongelooflijk scherpe rand behouden.
Gips is een chemisch neerslag (waterhoudend calciumsulfaat) dat vaak wordt aangetroffen in mergellagen, een calciumrijk, door klei gedomineerd gesteentetype. Gips- en steenzout bevattende mergellagen werden oorspronkelijk afgezet in gebieden met een hoge verdampingsgraad die overstroomd werden door zeewater. Dergelijke gebieden zijn tegenwoordig te zien langs delen van de subtropische Perzische Golf. Steenzout (dat bijna volledig uit natriumchloride bestaat) is een belangrijk economisch mineraal. In Ontario wordt het gevonden rond Windsor en noordwaarts tot Goderich (zie WAT ON EARTH 14 (2) voorjaar 2001). Zoutafzettingen worden ook gevonden in de maritieme provincies en in West-Canada. De zoutsequenties in West-Canada worden gedomineerd door een ander economisch belangrijk, rood- en witgekleurd zout dat rijk is aan kalium en bekend staat als Sylviet. Het laatste type gesteente in deze groep is het rood- en grijsgekleurde sedimentaire ijzerzandsteen, dat veel voorkomt in de regio rond de bovenloop van Lake Superior. Er is een uitgebreide literatuur over deze afzettingen (Blatt et al., 1980), maar over het algemeen zijn ze van Precambrische ouderdom en meestal tussen 2600 en 1800 miljoen jaar oud. Sommige zijn aanzienlijk ouder en enkele kleine afzettingen zijn jonger. Ze worden gekenmerkt door dunne en dikke banden van afwisselend jaspis (rode chert) en magnetiet- en hematietrijke ijzerlagen. Andere vormen van ijzer kunnen ook worden afgewisseld met de chertige horizonten. Dit zijn economisch belangrijke gesteenten en zijn de bron van grote ijzerafzettingen aan beide zijden van de grens tussen Canada en de Verenigde Staten.
Het derde blok afbeeldingen bestaat uit gewone sedimentaire gesteenten die een sterke biologische component hebben. Zoals ik al zei bij de bespreking van stollingsgesteenten, verafschuwt de natuur het om in “vakjes” te worden verdeeld en sommige van deze “vakjes” overschrijden de grenzen. Zeewater bevat echter grote hoeveelheden calciumcarbonaat dat niet alleen neerslaat om de chemische sedimentgesteenten te vormen, maar dat ook wordt gebruikt door organismen die carbonaatschalen bouwen. Wanneer zij sterven kunnen de schelpen enorme afzettingen van schelp-detritus vormen die vaak bewaard blijven als “shelly limestone”. Dit is tegenwoordig te zien in de vorm van coquina (bijna geheel bestaande uit complete of gebroken kleppen van de mariene ondiepwater pelecypod, Coquina). Vroeger waren kokkels niet zo algemeen als tegenwoordig. De illustratie “Shelly Limestone” toont brachiopoden in een Devoonse carbonaatmodderafzetting uit de Arkona-regio in zuidwest Ontario. Crinoïdale kalkstenen (niet afgebeeld), bestaan uit fragmenten van de stengels van crinoïden (Echinodermata) en vormen shelly-detritus banden in bepaalde gesteenten langs de Niagara Escarpment. Koraal, dat bestaat uit de overblijfselen van ontelbare triljoenen carbonaatproducerende poliepen, vormt vandaag de dag enorme afzettingen, zoals in het Groot Barrièrerif, en ook in het meer verre geologische verleden. Veel van de boringen naar olie en aardgas in Zuid-Ontario (en elders) zijn gericht op kleine riffen van koralen en algengemeenschappen, waar de poreusheid binnen en tussen de fossiele organismen de ophoping van deze energetische mineralen mogelijk heeft gemaakt. Krijt is een bijzonder zuivere kalksteen, en verdund zoutzuur dat op dit soort gesteente wordt toegepast, veroorzaakt een uiterst heftige reactie. Krijt werd oorspronkelijk gevormd als zeebodemslijm, en bestond uit de overblijfselen van triljoenen foraminifera-organismen, de zogenaamde coccolieten. Naast de afbeelding van het krijt zijn afbeeldingen van elektronenscans afgebeeld, waarbij het centrale, crèmekleurige organisme een voorbeeld is van de moderne kalkhoudende foraminifera, Globigerina genaamd.
Het volgende blok van vier beelden (turf tot antraciet) illustreert een ander energiemineraal – steenkool. Steenkool ontstaat door de ophoping van vegetatie onder anaërobe omstandigheden. Het detritus vormt zich in moerassen of lagunes en creëert een met water verzadigde organische veenbodem. Na verloop van tijd en door de verdichting van de bovenliggende sedimenten verliest het veen water en andere vluchtige stoffen. Het vochtgehalte daalt, het koolstofgehalte stijgt en het veen verandert in bruinkool of bruinkool. Dit zijn laagwaardige kolen, vaak met een hoog zwavelgehalte, ongeschikt voor vervoer over lange afstanden en onderhevig aan spontane verbranding. Zij vormen het soort steenkool dat in het zuidoosten van Saskatchewan wordt aangetroffen en veel van de steenkool in Oost-Duitsland. Bij verdere verdichting en belasting neemt het koolstofgehalte verder toe, gaan meer vluchtige bestanddelen verloren, neemt de potentiële energieopbrengst toe en vormt zich een doffe tot glanzende steenkool, die bekend staat als bitumineuze steenkool. Dit is een uitstekende stoomopwekkende steenkool en was de dominerende steenkool die de eerste eeuw van de industriële revolutie in Groot-Brittannië aandreef. De westelijke Canadese provincies en de vroegere mijngebieden van New Brunswick en Nova Scotia ontgonnen bitumineuze steenkool. Het wordt gewoonlijk gebruikt voor metallurgische voeding en wordt gebruikt bij de productie van elektrische energie. Het eindstadium van steenkool als energiedelfstof is antraciet, een harde glanzende steenkool die moeilijk te verbranden is tenzij hij wordt geplet. Deze steenkool wordt gedolven in Pennsylvania en wordt gebruikt bij de productie van elektriciteit als grondstof wanneer hij wordt gemengd met bitumineuze steenkool. De veranderingen die gepaard gaan met het verlies van vluchtige stoffen, de toename van koolstof en de toename van warmteopbrengst worden beschreven als een verandering in de rangorde van de steenkool.
De laatste twee afbeeldingen illustreren schaliegesteenten die een hoog organisch gehalte hebben maar niet als steenkool worden gedefinieerd. Fossielrijke schalies kunnen overvloedig fossielen bevatten (vooral plantaardig materiaal, maar zij kunnen ook andere bevatten, zoals ammonieten). Oliehoudende schalies (zoals die welke worden aangetroffen in een gordel van Bowmanville, ten oosten van Toronto, tot de Collingwood-regio bij Owen Sound, Ontario) bevatten overvloedig fossielen van trilobieten en andere Ordovicische dieren. Dergelijke afzettingen, hoewel niet noodzakelijk van dezelfde ouderdom, worden in vele delen van de wereld gevonden en kunnen in de toekomst bronnen van energie of petrochemische grondstoffen leveren.
De pagina na de centerfold bevat illustraties van verscheidene van de onderwerpen die in de sedimentaire gesteentebeschrijvingen hierboven worden genoemd.
Top Row, van links naar rechts. Het zijn allemaal voorbeelden van chemisch afgezette silica: Handbijl gemaakt van vuursteen, Swanscombe, Kent, UK; Vuurstenen nodule (knobbelige witte concretie) verweerd uit zachter krijtmatrix; Drie Clovis-type chert punten van de Brophey Site bij Parkhill, Ontario. De grootste is 10 cm lang.
Centre Row, van links naar rechts: Een grote stalagmiet (let op “g” groeit uit de grond omhoog) samengesteld uit druipsteen (chemisch neergeslagen afzettingen van calciumcarbonaat); Stalactiet (let op “c” groeit uit het plafond van een grot naar beneden), met lichtvangend calciumgeladen water dat op het punt staat uit de punt te druppelen; een eigenaardige, verwrongen, stalactitische vorm van druipsteen die bekend staat als een helictiet, ook gemaakt van calciumcarbonaat. Merk op dat het in delen zelfs naar boven groeit!
Onderste rij, van links naar rechts; vug (holte) met kwarts in het midden van de holte in kalksteen; enkele zeer grote chemisch-geprecipiteerde concreties in Moeraki, Zuidereiland, NZ; mos-achtige dendrieten. Dit zijn mangaan precipitaten op een kalksteen, en hebben geen verband met organische groeisels.
Alan V. Morgan
A New Exploration of the Canadian Arctic
Ronald E. Seavoy
Dit nieuwe boek is een zeer leesbaar exploratieavontuur in het Canadese Noordpoolgebied. De auteur werkte als een exploratie geoloog voor de International Nickel Company in 1960. Dit boek beschrijft nieuwe exploratietechnieken die in het midden van de jaren 1950 begonnen te worden getest. Het exploratieteam van Ronald Seavoy gebruikte in die zomer vliegtuigen, helikopters en geofysica. Het goudertsgebied Lupin werd ontdekt. Het boek laat de lezer ook kennismaken met enkele interessante natuurverschijnselen die tijdens de exploratie aan het licht kwamen.
Verkoopprijs $17,95 Canadees
Hancock House Publishers
www.hancockhouse.com
bestellingen:
[email protected]