I förra numret av Wat On Earth behandlade jag klassificeringen av magmatiska (eller eldformade) bergarter. I det här numret vill jag utforska ämnet sedimentära bergarter. Detta är den andra stora familjen av bergarter och de är av intresse för människan eftersom de har gett oss många verktyg i det förflutna och i dag ger oss de flesta aggregerade resurser samt ger (eller hyser) många av våra energimineraler och vissa essentiella mineraler av stor ekonomisk betydelse. Sedimentära bergarter är också av betydelse eftersom de rymmer fossilregistret över livet på planeten Jorden.
Som namnet antyder härstammar sedimentära bergarter från redan existerande sediment. För två nummer sedan beskrev jag i WAT ON EARTH stencykeln; hur stenar bryts ner från ännu äldre stenar genom vittring och erosion. De frigjorda kornen bärs eller transporteras genom olika mekanismer till en plats där de ackumuleras i sekvenser av sediment. Det finns många övergångsställen, men i slutändan hamnar de flesta sedimenten i en marin avlagringsmiljö. Sedimentära bergarter kan därför bestå av korn av olika storlek, form och sammansättning som har cementerats ihop eller komprimerats och omkristalliserats. Detta är de klastiska sedimentära bergarterna. Andra sedimentära bergarter kan bildas från avlagringar som utsöndras av kemiska lösningar (kemiska utfällningar) eller från avlagringar som består av rester av döda organismer (både djur och växter). Den sistnämnda gruppen bildar sedimentära bergarter av till stor del biologiskt ursprung. Förändring från sediment till sedimentära bergarter efter avlagring kallas diagenes, och slutresultatet är vanligtvis litifiering, där det tidigare okonsoliderade sedimentet förvandlas till sten. Två processer är vanliga: kompaktering (där sedimenten komprimeras och vatten drivs ut ur porutrymmena mellan kornen) och cementering. Cementering innebär att vissa mineraler (t.ex. kalcit, järnoxider och kiseldioxid) transporteras in i porutrymmena av det perkolerade grundvattnet. Där fälls de ut och cementerar så småningom ihop kornen.
Som i förra numret av Wat On Earth ägnas mittsidan i det här numret åt en illustration av många av dessa olika bergarter. Sidan intill illustrerar flera egenskaper som förknippas med sedimentära bergarter.
Medurs runt sidan: Överst till vänster – fotografi av en grupp studenter från Waterloo som undersöker en sektion av karbonlager vid Mullaghmore Head i Nordirland. Snittet består av omväxlande sandstenar, siltstenar och skiffer. De mjukare skifferna har blivit lättare eroderade medan sandstenarna framstår som motståndskraftiga lager. Diagrammet uppe till höger illustrerar de sedimentära bergarternas (2) position i bergkretsloppet. Observera att det finns en tillförsel från rymden som särskilt bidrar till marina sediment. Omedelbart under diagrammet över stencykeln finns ett diagram som illustrerar Wentworth-klassificeringen med avseende på kornstorlek och hur sedimenten bildar olika sedimentära klastiska bergarter. Jämför detta diagram med de två första kolumnerna (sediment och bergarter) som utgör delen ”Klastiska bergarter” i centrumdiagrammet. Det tredje och nedersta diagrammet illustrerar några av de viktigare sedimentära bergarterna som antingen är av kemiskt eller biologiskt ursprung. De flesta av dessa illustreras också på den centrala sidan. Det nedersta fotografiet illustrerar Delicate Arch i Arches National Monument i Utah. Denna 26 meter höga och 20 meter breda struktur består av Entrada-sandsten från övre juraåldern. Den har skapats genom erosion av ”fenor” av lokal berggrund som har skurits bort av vind och frost. Strax ovanför är en vy som tittar ner i Niagara Gorge där vattnet från Lake Erie faller över kanten av den siluriska Lockport-dolomiten på Niagara Escarpment. Varje fotografi illustrerar geomorfologi i samband med sedimentära formationer av olika åldrar.
Center fold page: Det är ganska enkelt att förstå sedimentära bergarter eftersom de har att göra med material som vi ser dagligen. Överst finns en panoramautsikt över en av de mest spektakulära exponeringarna av sedimentära bergarter i världen, i de övre nivåerna av Grand Canyon. Praktiskt taget alla stenar som du kan se är horisontella sandstenar, kalkstenar och skiffer som avlagrats under cirka 250 miljoner år i paleozoisk tidsålders hav. Samma hav var ockuperade på andra ställen av de jättelika trilobiter som illustreras i en annan artikel i det här numret.
Med tanke på att vi rör oss längre ner på mittuppslaget har jag försökt illustrera de flesta vanliga bergarter. Några få är mer ”exotiska” men de är också viktiga. Diagrammet är indelat i tre avsnitt som avser klastiska, kemiskt utfällda och biologiska sedimentära bergarter. Det vänstra blocket består av en dubbelkolumn. Den första kolumnen illustrerar exempel på sedimenttypen (se tillbaka till diagram 2 på föregående sida) och den andra kolumnen på deras litifierade motsvarighet. Kantiga klaster (stenfragment) härrör vanligen från frostsprängning. Fragmenten har inte färdats långt och förflyttas vanligen under gravitationen och faller ner från berg för att samlas som skredhögar eller taluskottar i botten av sluttningar. Deras motsvarigheter finns i den bergart som kallas breccia. När erosionen kommer igång och transporteras, särskilt av vatten, blir de kantiga stenarna slipade och bildar avrundade stenblock eller kullerstenar. Denna bergart kallas konglomerat. Vid långväga transport minskas gradvis klossarnas storlek från korn till sandstora partiklar. Den motsvarande bergarten är sandsten. Dessa är ofta cementerade av olika mineraler, kalcit, järnoxider eller kiseldioxid. Sandstenen får då en sekundär beteckning, till exempel ”kalkhaltig sandsten” eller ”järnhaltig sandsten”. En sandsten består normalt av kiselkornen. När dessa korn är cementerade av kiseldioxid ges ett annat namn – kvartsit (se bilden till höger om sandsten). En bergart som inte illustreras är en arkos – en sandsten där mer än 25 procent av stenen består av fältspat. Sådana bergarter bildas vanligen i bergiga, relativt torra, miljöer. Torra, eftersom klasterna inte har försämrats alltför mycket (under varma, fuktiga förhållanden är fältspat ofta lätt att vittra sönder). Kornens kantiga karaktär tyder på att transporten inte har varit så viktig.
Och om sedimentet fortsätter att transporteras minskar kornstorleken ändå ytterligare och silt bildas. Partikelstorlekarna når nu den punkt där de lätt kan transporteras av såväl vind som vatten. Det vindtransporterade sedimentet som ackumuleras som löss hör till denna kategori. Den bergart som kallas siltsten bildas av mycket fin kvarts, glimmer och andra diverse mineraler och är den litifierade motsvarigheten till silt. Slutligen är den finaste fraktionen i det klastiska storleksintervallet lera. Dessa fragment är så små att de förblir i suspension under lång tid, och sedimenterar vanligen först när de har samlats för att bilda större partiklar. När de samlas upp kallas den litade bergarten för skiffer. Mycket organiska ekvivalenter kan bilda mycket svarta skiffrar med en distinkt ”oljig” eller ”petroliferös” lukt, eftersom de är mycket rika på kol och aromatiska föreningar. De bildar fossiliferiska och ”oljeskiffer”, som kan vara framtida källor till petroleum.
Det andra dubbla kolumnblocket illustrerar bergarter som bildas av kemiska avlagringar. Sådana bergarter bildas där material transporteras i lösning till en plats, oftast en havsbassäng eller en sjö i ett ökenområde, där vatten avdunstar. Lösningar av vissa joner fälls ut och bildar bergarter som är rika på kalcium, magnesium, kiseldioxid, natrium och (mer förr i tiden) järn. Några av dessa illustreras, med början med de kalciumrika utfällningarna. Kalkstenar är ett viktigt exempel. All kalksten sprudlar lätt när utspädd (10 % lösning) saltsyra appliceras eftersom syran reagerar med kalciumkarbonaten. Det exempel som visas är en grå, finkornig kalksten med vita ådror av kalcit som löper genom den. I varma tropiska vatten kan rikligt med kalcium i lösning i havsvatten som utsätts för starka strömrörelser fällas ut runt små skalfragment. Dessa kan bilda oolitiska kalkstenar, där små kalciumkarbonatkorn har lager av kalcit som avlagrats koncentriskt runt en kärna.
Doloston, en bergart som består av kalcium och magnesium, är nära besläktad med kalksten vanligtvis med magnesium från havsvattnet som ersätter en stor del av det ursprungliga kalciuminnehållet i en redan existerande kalksten. Sura reaktioner är långsammare. Dolostones kan ses i närheten av Waterloo i vissa stensekvenser längs Niagara Escarpment. Travertin och tuff (stark surreaktion) är kemiskt utfällda stenar som bildas av kalciumkarbonat. Travertin är vanligtvis tät och bandformad, medan tuff är mer svampig. Travertin (i form av speleotemer) är vanligast i grottor, särskilt i de spektakulära formationer som kallas droppsten, flödessten, stalaktiter, stalagmiter, heliktiter och kolumner.
I kalkstenar och dolostoner kan man ofta se lager eller knölar som består av kiseldioxid. Dessa är lager av kerta eller, i fallet med krita, flinta. Flintor har använts sedan paleolitikum med välkända massproduktionsställen för spjutspetsar, skrapor, pilspetsar och verktygssatser som beskrivs i den arkeologiska litteraturen från östra England. De användes också fram till nyligen i skjutvapen (gevär med flintlås) och vid uppförandet av byggnader där denna bergart är vanlig. Kertstenar från kalksten- och dolostonlager längs Niagaraskarpmentet användes av paleoindianska jägare av karibun, mastodont och mammut i sydvästra Ontario. Både flintor och kerstenar är vanligen grå i färgen (även om de kan variera från nästan vitt till nästan svart eller till och med rött) och är spaltade med en jämn till något konformad fraktur. Det enda de har gemensamt är att de kan formas av skickliga verktygsmakare och att de behåller en otroligt skarp egg under lång tid.
Gips är en kemisk utfällning (vattenhaltigt kalciumsulfat) som ofta återfinns i lager av märgel, en kalciumrik, lerdominerad bergart. Lager av märgel som innehåller gips och stensalt avlagrades ursprungligen i områden med hög avdunstning som översvämmades av havsvatten. Sådana områden kan idag ses längs delar av den subtropiska Persiska viken. Bergsalt (som nästan helt består av natriumklorid) är ett viktigt ekonomiskt mineral. I Ontario finns det runt Windsor och norrut till Goderich (se WAT ON EARTH 14 (2) Spring 2001). Saltfyndigheter finns också i de maritima provinserna och även i västra Kanada. De västkanadensiska saltsekvenserna domineras av ett annat ekonomiskt viktigt, röd- och vitfärgat salt som är rikt på kalium och som kallas sylvit. Den sista bergarten som illustreras i denna grupp är den röd- och gråbandiga sedimentära järnstenen, som är vanlig i regionen kring övre Lake Superior. Det finns en omfattande litteratur förknippad med dessa avlagringar (Blatt et al., 1980), men i allmänhet är de av prekambrisk ålder och vanligtvis mellan 2600 och 1800 miljoner år gamla. Vissa är betydligt äldre och några små avlagringar är yngre. De kännetecknas av tunna och tjocka band av omväxlande jaspis (röd kerta) och magnetit- och hematitrika lager av järn. Andra former av järn kan också växla med de cherty horisonterna. Dessa är ekonomiskt viktiga bergarter och är källan till stora järnfyndigheter på båda sidor av gränsen mellan Kanada och USA.
Det tredje bildblocket omfattar vanliga sedimentära bergarter som har en stark biologisk komponent. Som jag nämnde när jag diskuterade magmatiska bergarter avskyr naturen att bli ”uppdelad i fack” och vissa av dessa ”lådor” överskrider gränser. Havsvatten innehåller dock stora mängder kalciumkarbonat som inte bara fälls ut för att bilda de kemiska sedimentära bergarterna utan också utnyttjas av organismer som bygger karbonatskal. När de dör kan skalen bilda enorma avlagringar av skaldetritus som ofta bevaras som ”skalkalksten”. Detta kan idag ses i form av coquina (som nästan helt och hållet består av kompletta eller trasiga klaffar från den marina ytliga pelecypoden Coquina). Förr i tiden var musslor inte lika vanliga som i dag. Illustrationen ”Shelly Limestone” visar brachiopoder i en devonisk karbonatleravlagring från Arkona-regionen i sydvästra Ontario. Krinoidkalksten (ej illustrerad), består av fragment av stjälkar från krinoider (Echinodermata) och bildar shelly-detritusband i vissa bergarter längs Niagara Escarpment. Koraller, som består av resterna av otaliga triljoner karbonatutsöndrande polyper, bildar massiva avlagringar i dag, t.ex. i Stora barriärrevet, och även i ett mer avlägset geologiskt förflutet. Många av borrningsmålen för olja och naturgas i södra Ontario (och på andra ställen) är inriktade på små fläckar av koraller och algsamhällen, där porositeten i och mellan de fossila organismerna har gjort det möjligt för dessa energimineraler att ackumuleras. Krita är en särskilt ren kalksten, och utspädd saltsyra som appliceras på denna bergart ger en extremt kraftig reaktion. Krita bildades ursprungligen som havsbottenslam och bestod av resterna av biljoner foraminifera-organismer, så kallade coccoliter. Elektronskannerbilder finns bredvid bilden av kritan, där den centrala, gräddfärgade organismen är ett exempel på den moderna kalkhaltiga foraminifera som kallas Globigerina.
Nästa block av fyra bilder (torv till antracit) illustrerar ett annat energimineral – kol. Kol uppstår genom ackumulering av växtlighet under anaeroba förhållanden. Detritus bildas i träsk eller laguner och skapar en vattenmättad organisk bädd av torv. Med tiden och med komprimering från överliggande sediment förlorar torven vatten och andra flyktiga ämnen. Fukthalten sjunker, kolhalten ökar och torven omvandlas till brunkol eller brunkol. Detta är kol av låg kvalitet, ofta med hög svavelhalt, som inte lämpar sig för långväga transporter och som kan självantända. De utgör de typer av kol som finns i sydöstra Saskatchewan och många av kolen i östra Tyskland. Med ytterligare komprimering och stress fortsätter kolhalten att öka, mer flyktiga ämnen går förlorade, den potentiella energiproduktionen ökar och det bildas ett matt till glänsande kol som kallas bituminöst kol. Detta är ett utmärkt kol för ångframställning och var det dominerande kolet som drev den industriella revolutionens första århundrade i Storbritannien. I de västra kanadensiska provinserna och de tidigare gruvområdena i New Brunswick och Nova Scotia bröts bituminöst kol. Det används normalt för metallurgisk matning och används vid elproduktion. Det sista steget för kol som energimineral är antracit, ett hårt glänsande kol som är svårt att bränna om det inte krossas. Detta kol bryts i Pennsylvania och används vid elproduktion som en råvara när det blandas med bituminöst kol. De förändringar som följer med förlusten av flyktiga ämnen, ökningen av kol och ökningen av värmeproduktionen beskrivs som en förändring av kolets rang.
De två sista bilderna illustrerar skifferbergarter som har höga organiska halter men som inte definieras som kol. Fossila skiffrar kan innehålla rikligt med fossiler (särskilt växtmaterial, men de kan också innehålla andra, t.ex. ammoniter). Oljeskiffer (som de som finns i ett bälte från Bowmanville öster om Toronto till Collingwood-regionen nära Owen Sound i Ontario) innehåller rikligt med fossil av trilobiter och andra ordoviciska djur. Sådana avlagringar, även om de inte nödvändigtvis är av samma ålder, finns i många delar av världen och kan utgöra framtida energikällor eller petrokemiska råvaror.
Sidan efter mittfältet innehåller illustrationer av flera av de ämnen som nämns i beskrivningarna av de sedimentära bergarterna ovan.
Övre raden, från vänster till höger. Alla är exempel på kemiskt avlagrad kiseldioxid: Handyxa tillverkad av flinta, Swanscombe, Kent, Storbritannien; Flintnodul (knubbig vit konkretion) som vittrar från en mjukare kritmatrix; Tre spetsar av chert av Clovis-typ från Brophey Site nära Parkhill, Ontario. Den största är 10 cm lång.
Center Row, från vänster till höger: En stor stalagmit (notera ”g” växer upp från marken) som består av droppsten (kemiskt utfällda kalciumkarbonatavlagringar); Stalaktit (notera ”c” växer ner från taket i en grotta), med ljusfångande kalciumladdat vatten som håller på att droppa från spetsen; en märklig, förvrängd, stalaktitisk form av droppsten som kallas helikoptersten, som också är tillverkad av kalciumkarbonat. Observera att den i vissa delar till och med växer uppåt!
Bottom Row, från vänster till höger; vug (hålighet) med kvarts som klär ut mitten av håligheten i kalksten; några mycket stora kemiskt utfällda konkretioner vid Moeraki, Sydön, NZ; mossliknande dendriter. Dessa är manganutfällningar på en kalksten och har inget samband med organiska tillväxter.
Alan V. Morgan
A New Exploration of the Canadian Arctic
Ronald E. Seavoy
Denna nya bok är ett mycket läsvärt utforskningsäventyr i det kanadensiska Arktis. Författaren arbetade som prospekteringsgeolog för International Nickel Company 1960. I boken beskrivs nya prospekteringstekniker som började testas i mitten av 1950-talet. Ronald Seavoys prospekteringsteam använde flygplan, helikoptrar och geofysik under den sommaren. Guldmalmförekomsten Lupin upptäcktes. Boken introducerar också läsaren till några av de intressanta naturfenomen som påträffades under utforskningen.
Förpackningspris $17.95 kanadensiskt
Hancock house Publishers
www.hancockhouse.com
beställningar:
[email protected]