W ostatnim numerze Wat On Earth zająłem się klasyfikacją skał iglastych (lub ogniotrwałych). W tym numerze chciałbym zgłębić temat skał osadowych. Jest to druga wielka rodzina skał i są one interesujące dla ludzi, ponieważ dostarczyły wielu narzędzi w przeszłości i dziś dostarczają nam większość zasobów kruszyw, jak również dostarczają (lub mieszczą) wiele z naszych minerałów energetycznych, oraz pewne podstawowe minerały o dużym znaczeniu ekonomicznym. Skały osadowe mają również znaczenie, ponieważ mieszczą w sobie kopalny zapis życia na planecie Ziemia.
Jak sama nazwa wskazuje, skały osadowe pochodzą z istniejących wcześniej osadów. Dwa numery wstecz w WAT ON EARTH opisałem Cykl Skalny; jak skały są rozbijane z jeszcze starszych skał przez wietrzenie i erozję. Uwolnione ziarna są przenoszone lub transportowane przez różne mechanizmy do miejsca, gdzie gromadzą się w sekwencje osadów. Istnieje wiele przejściowych miejsc spoczynku, ale ostatecznie większość osadów kończy w morskim środowisku depozycyjnym. Skały osadowe mogą zatem składać się z ziaren o różnej wielkości, kształcie i składzie, które zostały ze sobą scementowane lub sprasowane i zrekrystalizowane. Są to klastyczne skały osadowe. Inne skały osadowe mogą powstawać z osadów wydzielanych przez roztwory chemiczne (wytrącenia chemiczne), lub z osadów utworzonych ze szczątków martwych organizmów (zarówno zwierząt jak i roślin). Ta ostatnia grupa tworzy skały osadowe w dużej mierze pochodzenia biologicznego. Późniejsze zmiany osadów w skały osadowe nazywane są diagenezą, a ich efektem końcowym jest zwykle lityfikacja, w wyniku której nieskonsolidowany osad przekształca się w skałę. Powszechne są dwa procesy: kompakcja (podczas której osady są ściskane, a woda jest wypychana z przestrzeni porowych między ziarnami) i cementacja. Cementacja polega na tym, że pewne minerały (na przykład kalcyt, tlenki żelaza i krzemionka) są przenoszone przez przesączającą się wodę gruntową do przestrzeni porowych. Tutaj wytrącają się i ostatecznie cementują ziarna razem.
Tak jak w ostatnim egzemplarzu Wat On Earth, środkowa strona tego wydania poświęcona jest ilustracji wielu z tych różnych typów skał. Strona obok ilustruje kilka cech związanych ze skałami osadowymi.
Patrząc od lewej: zdjęcie grupy studentów z Waterloo badających sekcję karbońskich pokładów w Mullaghmore Head w północnej Irlandii. Sekcja składa się z naprzemiennie występujących piaskowców, mułowców i łupków. Bardziej miękkie łupki uległy łatwiejszej erozji, podczas gdy piaskowce wyróżniają się jako odporne pokłady. U góry po prawej – diagram ilustruje położenie skał osadowych (2) w cyklu skalnym. Zauważ, że istnieje wkład z przestrzeni, który dodaje się, szczególnie do osadów morskich. Bezpośrednio pod diagramem cyklu skalnego znajduje się wykres ilustrujący klasyfikację Wentwortha pod względem wielkości ziaren oraz sposób, w jaki osady tworzą różne osadowe skały klastyczne. Porównaj ten wykres z dwiema pierwszymi kolumnami (Sediments i Rocks), które tworzą część „Clastic Rock” na wykresie centrycznym. Trzeci i najniższy diagram ilustruje niektóre z ważniejszych skał osadowych, które są pochodzenia chemicznego lub biologicznego. Większość z nich jest również zilustrowana na stronie środkowej. Dolna fotografia ilustruje Delicate Arch w Arches National Monument w Utah. Ta wysoka na 26 m i szeroka na 20 m struktura zbudowana jest z górnojurajskiego piaskowca Entrada. Powstała ona w wyniku erozji „płetw” lokalnej skały macierzystej, które zostały odcięte przez działanie wiatru i mrozu. Bezpośrednio powyżej znajduje się widok z wąwozu Niagara, gdzie woda z jeziora Erie spada ponad krawędź sylurskiego dolomitu Lockport na skarpie Niagara. Każda z fotografii ilustruje geomorfologię związaną z formacjami osadowymi o różnym wieku.
Centralna strona rozkładówki: Zrozumienie skał osadowych jest dość proste, ponieważ odnoszą się one do materiałów, które widzimy na co dzień. Na górze jest panoramiczny widok na jedną z najbardziej spektakularnych ekspozycji skał osadowych na świecie, w górnych poziomach Wielkiego Kanionu. Praktycznie wszystkie skały, które można zobaczyć, to poziome piaskowce, wapienie i łupki osadzone w ciągu około 250 milionów lat w morzach ery paleozoicznej. Te same morza były zajmowane w innych miejscach przez gigantyczne trylobity zilustrowane w innym artykule w tym numerze.
Przesuwając się niżej na środkowej stronie, starałem się zilustrować większość popularnych typów skał. Kilka z nich jest bardziej „egzotycznych”, ale są one również ważne. Plansza podzielona jest na trzy części, które odnoszą się do skał osadowych klastycznych, chemicznie wytrącanych i biologicznych. Lewy blok składa się z podwójnej kolumny. Pierwsza kolumna ilustruje przykłady danego typu osadów (patrz schemat 2 na poprzedniej stronie), a druga – ich zrytmizowane odpowiedniki. Klastry kanciaste (fragmenty skał) pochodzą najczęściej z odłamków mrozowych. Odłamki te nie przebyły długiej drogi i zwykle przemieszczają się pod wpływem grawitacji, spadając z gór i gromadząc się w postaci stosów piargów lub stożków talusowych u podnóża stoków. Ich odpowiedniki znajdują się w typie skały znanym jako breccia. Kiedy do akcji wkraczają czynniki erozyjne i następuje transport, zwłaszcza wodny, kanciaste klastry ulegają ścieraniu i tworzą zaokrąglone głazy lub otoczaki. Taki odpowiednik skały nazywany jest konglomeratem. Transport na duże odległości stopniowo redukuje wielkość klastów poprzez granulki do cząstek o wielkości piasku. Odpowiednikiem skały jest piaskowiec. Są one często cementowane przez różne minerały, kalcyt, tlenki żelaza lub krzemionkę. Piaskowiec uzyskuje wtedy wtórną nazwę opisową, taką jak „piaskowiec wapienny” lub „piaskowiec żelazisty”. Piaskowiec składa się zazwyczaj z ziaren krzemionki. Kiedy te ziarna są scementowane przez krzemionkę, nadaje się im inną nazwę – kwarcyt (patrz zdjęcie po prawej stronie piaskowca). Jednym z typów skał, który nie jest przedstawiony na ilustracji, jest arkoza – piaskowiec, w którym ponad 25 procent skały stanowią skalenie. Takie skały powstają zwykle w górskich, stosunkowo suchych środowiskach. Suche, bo klastyczne nie uległy zbytniemu zniszczeniu (w gorących, wilgotnych warunkach skalenie często łatwo ulegają zwietrzeniu). Kanciasty charakter ziaren wskazuje, że transport nie był tak ważny.
Jednakże, jeśli osad jest nadal transportowany, wielkość ziaren ulega dalszemu zmniejszeniu i powstaje muł. Rozmiary cząstek osiągają obecnie punkt, w którym mogą być łatwo transportowane zarówno przez wiatr, jak i wodę. Przenoszone przez wiatr osady, które gromadzą się w postaci lessu, należą do tej kategorii. Typ skały znany jako mułowce, jest utworzony z bardzo drobnego kwarcu, miki i innych różnych minerałów, i jest zlityfikowanym odpowiednikiem mułu. Wreszcie najdrobniejszą frakcją w zakresie wielkości klastycznych jest glina. Fragmenty te są tak drobne, że przez długi czas pozostają w zawiesinie, zwykle osadzając się dopiero po ich koalescencji do postaci większych cząstek. Kiedy już się nagromadzą, skała litologiczna nazywana jest łupkiem. Wysoko organiczne odpowiedniki mogą tworzyć bardzo czarne łupki o charakterystycznym „oleistym” lub „petroliferowym” zapachu, ponieważ są one bardzo bogate w węgiel i związki aromatyczne. Tworzą one łupki kopalne i „łupki naftowe”, które mogą być przyszłymi źródłami ropy naftowej.
Drugi blok dwukolumnowy ilustruje skały powstałe w wyniku złóż chemicznych. Takie skały powstają, gdy materiał jest przenoszony w roztworze do miejsca, najczęściej basenu morskiego lub jeziora na obszarze pustynnym, gdzie woda wyparowuje. Roztwory niektórych jonów są wytrącane i tworzą skały bogate w wapń, magnez, krzemionkę, sód i (bardziej w przeszłości) żelazo. Niektóre z nich zostały zilustrowane, począwszy od bogatych w wapń osadów. Ważnym przykładem są wapienie. Każdy wapień łatwo się pieni, gdy zastosuje się rozcieńczony (10% roztwór) kwas solny, ponieważ kwas reaguje z węglanem wapnia. Pokazany przykład to szary, drobnoziarnisty wapień z białymi żyłkami kalcytu biegnącymi przez niego. W ciepłych wodach tropikalnych obfite ilości wapnia w roztworze w wodzie morskiej podlegającej silnym ruchom prądów mogą wytrącać się wokół drobnych fragmentów muszli. Mogą one tworzyć wapienie oolitowe, gdy małe ziarna węglanu wapnia mają warstwy kalcytu osadzone w sposób koncentryczny wokół jądra.
Doloston, skała składająca się z wapnia i magnezu, jest blisko spokrewniona z wapieniem, zwykle z magnezem z wody morskiej zastępującym znaczną część oryginalnej zawartości wapnia w istniejącym wcześniej wapieniu. Reakcja kwasowa jest wolniejsza. Dolostony można zobaczyć w pobliżu Waterloo w pewnych sekwencjach skalnych wzdłuż wychodni skarpy Niagara Escarpment. Trawertyn i tufy (silny odczyn kwaśny) są chemicznie wytrąconymi skałami utworzonymi z węglanu wapnia. Trawertyn jest zazwyczaj gęsty i pasmowy, podczas gdy tufy są bardziej gąbczaste. Trawertyn (w formie speleotemów) jest najczęściej spotykany w osadach jaskiniowych, szczególnie w spektakularnych formacjach znanych jako nacieki, nacieki, stalaktyty, stalagmity, heliktyty i kolumny.
Wewnątrz wapieni i dolostonów często można zobaczyć warstwy lub guzki składające się z krzemionki. Są to warstwy chertu, lub, w przypadku kredy, krzemienia. Krzemienie były używane od paleolitu z dobrze znanymi miejscami masowej produkcji grotów włóczni, skrobaków, grotów strzał i zestawów narzędzi opisanych w literaturze archeologicznej ze wschodniej Anglii. Do niedawna wykorzystywano je również w broni palnej (karabiny z zamkiem krzemiennym) oraz w budownictwie, gdzie ten typ skały występuje powszechnie. Krzemienie z pokładów wapienia i dolostonu wzdłuż skarpy Niagara były używane przez paleo-Indian polujących na karibu, mastodonty i mamuty w południowo-zachodnim Ontario. Zarówno krzemienie jak i kamienie są zwykle koloru szarego (choć mogą mieć barwę od prawie białej przez bufiastą do prawie czarnej lub nawet czerwonej) i łupane z równomiernym lub lekko stożkowym pęknięciem. Jedną rzeczą, którą mają wspólnego jest to, że mogą być kształtowane przez wykwalifikowanych twórców narzędzi i zachowają niezwykle ostrą krawędź przez długi okres czasu.
Gips jest chemicznym osadem (uwodniony siarczan wapnia) często spotykanym w pokładach margli, bogatych w wapń, zdominowanych przez glinę, typu skały. Pokłady margli zawierających gips i sól kamienną pierwotnie osadzały się na obszarach o wysokim parowaniu, które były zalewane przez wody morskie. Takie obszary można dziś zobaczyć wzdłuż części subtropikalnej Zatoki Perskiej. Sól kamienna (składająca się prawie wyłącznie z chlorku sodu) jest ważnym minerałem gospodarczym. W Ontario występuje ona w okolicach Windsor i na północ do Goderich (patrz WAT ON EARTH 14 (2) Wiosna 2001). Złoża soli występują również w prowincjach nadmorskich, a także w zachodniej Kanadzie. W zachodnio-kanadyjskich sekwencjach solnych dominuje inna ważna gospodarczo, czerwono-biała sól bogata w potas, znana jako sylwinit. Ostatnim typem skały przedstawionym w tej grupie jest czerwono-szary osadowy kamień żelazny, powszechny w rejonie górnego jeziora Superior. Istnieje obszerna literatura związana z tymi złożami (Blatt et al., 1980), ale generalnie są one wieku prekambryjskiego i zwykle mają od 2600 do 1800 milionów lat. Niektóre z nich są znacznie starsze, a kilka małych złóż jest młodszych. Charakteryzują się one cienkimi i grubymi pasmami naprzemiennie ułożonych warstw jaspisu (czerwonego chertu) oraz bogatych w magnetyt i hematyt warstw żelaza. Inne formy żelaza mogą również występować naprzemiennie z warstwami chertytowymi. Są to skały ważne gospodarczo i są źródłem głównych złóż żelaza po obu stronach granicy Kanada/USA.
Trzeci blok zdjęć obejmuje wspólne skały osadowe, które mają silny składnik biologiczny. Jak już wspomniałem przy omawianiu skał iglastych, natura nie znosi „podziału na przedziały” i niektóre z tych „pudełek” przekraczają granice. Jednak woda morska zawiera duże ilości węglanu wapnia, który nie tylko wytrąca się tworząc chemiczne skały osadowe, ale jest także wykorzystywany przez organizmy budujące węglanowe skorupy. Kiedy umierają, muszle mogą tworzyć ogromne pokłady detrytusu muszlowego, który często utrwala się jako „wapień muszlowy”. Można to zaobserwować dzisiaj w postaci coquiny (składającej się niemal w całości z kompletnych lub połamanych zaworów morskiego płytkowodnego pelecypoda Coquina). W przeszłości małże nie były tak powszechne jak dziś. Ilustracja „Shelly Limestone” przedstawia ramienionogi w dewońskim węglanowym złożu błotnym z regionu Arkona w południowo-zachodnim Ontario. Wapienie krynoidowe (nie zilustrowane), składają się z fragmentów łodyg krynoidów (Echinodermata) i tworzą pasma shelly-detritus w niektórych skałach wzdłuż skarpy Niagara. Koralowce, składające się ze szczątków niezliczonych bilionów wydzielających węglan polipów, tworzą masywne złoża dziś, jak w przypadku Wielkiej Rafy Koralowej, a także w bardziej odległej przeszłości geologicznej. Wiele wierceń w poszukiwaniu ropy naftowej i gazu ziemnego w południowym Ontario (i w innych miejscach) jest skierowanych na małe rafy koralowe i zbiorowiska glonów, gdzie porowatość wewnątrz i pomiędzy organizmami kopalnymi umożliwiła gromadzenie się tych energetycznych minerałów. Kreda jest szczególnie czystym wapieniem, a rozcieńczony kwas solny zastosowany do tego typu skały wywołuje niezwykle energiczną reakcję. Kreda została pierwotnie uformowana jako muł dna morskiego, składający się ze szczątków bilionów organizmów z grupy foraminifera, znanych jako coccoliths. Obok obrazu kredy zamieszczono obrazy skanowania elektronowego, z centralnie położonym, kremowym organizmem, stanowiącym przykład współczesnej wapiennej foraminifery zwanej Globigerina.
Kolejny blok czterech obrazów (od torfu do antracytu) ilustruje inny minerał energetyczny – węgiel. Węgiel powstaje w wyniku nagromadzenia się roślinności w warunkach beztlenowych. Detrytus formuje się na bagnach lub lagunach i tworzy nasycone wodą organiczne podłoże torfu. Z czasem i zagęszczeniem przez nadległe osady, torf traci wodę i inne substancje lotne. Zawartość wilgoci spada, zawartość węgla wzrasta i torf zmienia się w węgiel brunatny lub lignit. Są to węgle niskiej jakości, często o wysokiej zawartości siarki, nienadające się do transportu na duże odległości i ulegające samozapłonowi. Są to typy węgli występujące w południowo-wschodniej części Saskatchewan i wiele węgli we wschodnich Niemczech. Przy dalszym zagęszczaniu i obciążeniu zawartość węgla nadal rośnie, traci się więcej substancji lotnych, wzrasta potencjalna wydajność energetyczna i powstaje węgiel o barwie od matowej do błyszczącej, znany jako węgiel bitumiczny. Jest to doskonały węgiel do wytwarzania pary wodnej i był dominującym węglem, który napędzał pierwszy wiek rewolucji przemysłowej w Wielkiej Brytanii. W zachodnich prowincjach Kanady oraz w dawnych obszarach górniczych Nowego Brunszwiku i Nowej Szkocji wydobywa się węgiel bitumiczny. Jest on zazwyczaj używany do produkcji wsadu metalurgicznego i wykorzystywany w produkcji energii elektrycznej. Ostatecznym stadium węgla jako minerału energetycznego jest antracyt, twardy, błyszczący węgiel, który trudno się spala, chyba że zostanie pokruszony. Węgiel ten wydobywany jest w Pensylwanii i stosowany jest w produkcji energii elektrycznej jako wsad, po zmieszaniu z węglem bitumicznym. Zmiany, które towarzyszą utracie substancji lotnych, wzrostowi zawartości węgla i wzrostowi wydajności cieplnej są opisywane jako zmiana rangi węgla.
Dwa ostatnie obrazy ilustrują skały łupkowe, które mają wysoką zawartość substancji organicznych, ale nie są definiowane jako węgle. Łupki kopalne mogą zawierać obfite skamieniałości (szczególnie materiały roślinne, ale mogą też zawierać inne, takie jak amonity). Łupki naftowe (takie jak te znalezione w pasie od Bowmanville, na wschód od Toronto do regionu Collingwood w pobliżu Owen Sound, Ontario) zawierają obfite skamieniałości trylobitów i innych zwierząt ordowickich. Takie złoża, choć niekoniecznie tego samego wieku, występują w wielu częściach świata i mogą stanowić przyszłe źródła energii lub zasilania petrochemicznego.
Strona następująca po centryfoldzie zawiera ilustracje kilku tematów wymienionych w opisach skał osadowych powyżej.
Top Row, od lewej do prawej. Wszystkie są przykładami chemicznie zdeponowanej krzemionki: Siekiera ręczna wykonana z krzemienia, Swanscombe, Kent, UK; Guzek krzemienny (gałkowata biała konkrecja) zwietrzały z bardziej miękkiej matrycy kredowej; Trzy punkty z chertu typu Clovis z Brophey Site w pobliżu Parkhill, Ontario. Największy z nich ma 10 cm długości.
Centralny rząd, od lewej do prawej: A large stalagmite (note „g” Grows up from the ground) composed of dripstone (chemically precipitated calcium carbonate deposits); Stalactite (note „c” grows down from the ceiling of a cave), with light-catching calcium-charged water about to drip from the tip; a peculiar, contorted, stalactitic form of dripstone known as a helictite, also made from calcium carbonate. Zauważ, że w niektórych miejscach nawet rośnie w górę!
Dolny rząd, od lewej do prawej; vug (pustka) z kwarcem wyściełającym środek pustki w wapieniu; kilka bardzo dużych chemicznie wytrąconych konkrecji w Moeraki, Wyspa Południowa, NZ; dendryty przypominające mech. Są to strącenia manganu na wapieniu, i nie mają żadnego związku z organicznymi wzrostami.
Alan V. Morgan
A New Exploration of the Canadian Arctic
Ronald E. Seavoy
Ta nowa książka jest bardzo czytelną przygodą eksploracyjną w kanadyjskiej Arktyce. Autor pracował jako geolog eksploracyjny dla International Nickel Company w 1960 roku. Książka opisuje nowe techniki eksploracji, które zaczęły być testowane w połowie lat 50-tych. Tego lata zespół eksploracyjny Ronalda Seavoya używał samolotów, helikopterów i geofizyki. Odkryte zostało złoże złota Lupin. Książka wprowadza również czytelnika w niektóre z interesujących zjawisk przyrodniczych napotkanych podczas eksploracji.
Cena detaliczna $17.95 Canadian
Hancock house Publishers
www.hancockhouse.com
zamówienia:
[email protected]
.