stringtranslate.com

Песчаник

Песчаник — это обломочная осадочная порода, состоящая в основном из силикатных зерен размером с песок (0,0625–2 мм) , сцементированных другим минералом. Песчаники составляют около 20–25% всех осадочных пород . [1]

Большая часть песчаника состоит из кварца или полевого шпата , поскольку они являются наиболее устойчивыми минералами к процессам выветривания на поверхности Земли. Как и несцементированный песок , песчаник может быть любого цвета из-за примесей в минералах, но наиболее распространенными цветами являются желтовато-коричневый, коричневый, желтый, красный, серый, розовый, белый и черный. Поскольку пласты песчаника могут образовывать хорошо заметные скалы и другие топографические особенности, определенные цвета песчаника стали прочно ассоциироваться с определенными регионами, такими как красные каменистые пустыни Национального парка Арчес и другие районы американского Юго-Запада .

Скальные образования, состоящие из песчаника, обычно позволяют просачиваться воде и другим жидкостям и являются достаточно пористыми , чтобы хранить большие количества, что делает их ценными водоносными горизонтами и нефтяными резервуарами . [2] [3]

Кварцевый песчаник может превратиться в кварцит посредством метаморфизма , обычно связанного с тектоническим сжатием в пределах орогенных поясов . [4] [5]

Происхождение

Песчаники имеют обломочное происхождение (в отличие от органических , таких как мел и уголь , или химических , таких как гипс и яшма ). [6] Силикатные песчаные зерна, из которых они образуются, являются продуктом физического и химического выветривания коренных пород. [7] Выветривание и эрозия наиболее быстры в областях с высоким рельефом, таких как вулканические дуги , области континентального рифтинга и орогенные пояса . [8]

Эродированный песок переносится реками или ветром из областей его происхождения в осадочные среды , где тектоника создала пространство для накопления осадков. Преддуговые бассейны, как правило, накапливают песок, богатый литическими зернами и плагиоклазом . Внутриконтинентальные бассейны и грабены вдоль континентальных окраин также являются обычными средами для отложения песка. [9]

По мере того, как отложения продолжают накапливаться в осадочной среде, более старый песок погребается более молодыми отложениями, и он подвергается диагенезу . В основном это уплотнение и литификация песка. [10] [11] Ранние стадии диагенеза, описываемые как эогенез , происходят на небольших глубинах (несколько десятков метров) и характеризуются биотурбацией и минералогическими изменениями в песках, с небольшим уплотнением. [12] Красный гематит , который придает красным пластам песчаников их цвет, вероятно, образуется во время эогенеза. [13] [14] Более глубокое захоронение сопровождается мезогенезом , во время которого происходит большая часть уплотнения и литификации. [11]

Уплотнение происходит, когда песок подвергается растущему давлению со стороны вышележащих осадков. Зерна осадка перемещаются в более компактные расположения, пластичные зерна (например, зерна слюды ) деформируются, а поровое пространство уменьшается. В дополнение к этому физическому уплотнению может происходить химическое уплотнение посредством раствора под давлением . Точки контакта между зернами находятся под наибольшей деформацией, а деформированный минерал более растворим, чем остальная часть зерна. В результате точки контакта растворяются, позволяя зернам вступать в более тесный контакт. [11]

Литификация тесно связана с уплотнением, поскольку повышенные температуры на глубине ускоряют отложение цемента , который связывает зерна вместе. Растворение под давлением способствует цементированию, поскольку минерал, растворенный из напряженных точек контакта, повторно откладывается в ненапряженных поровых пространствах. [11]

Механическое уплотнение происходит в основном на глубине менее 1000 метров (3300 футов). Химическое уплотнение продолжается до глубины 2000 метров (6600 футов), а большая часть цементации происходит на глубине 2000–5000 метров (6600–16400 футов). [15]

Освобождение захороненного песчаника сопровождается телогенезом , третьей и последней стадией диагенеза. [12] Поскольку эрозия уменьшает глубину захоронения, возобновленное воздействие метеорных вод приводит к дополнительным изменениям в песчанике, таким как растворение части цемента с образованием вторичной пористости . [11]

Компоненты

Зерна каркаса

Paradise Quarry, Сидней , Австралия
Песок дресвы и гранитоид, из которого он получен

Зерна каркаса представляют собой обломки размером с песок (диаметром от 0,0625 до 2 миллиметров (от 0,00246 до 0,07874 дюйма)), которые составляют основную часть песчаника. [16] [17] Большинство зерен каркаса состоят из кварца или полевого шпата , которые являются распространенными минералами, наиболее устойчивыми к процессам выветривания на поверхности Земли, как показано в серии растворения Голдича . [18] Зерна каркаса можно классифицировать на несколько различных категорий в зависимости от их минерального состава:

Микрофотография зерна вулканического песка; верхняя фотография — плоскополяризованный свет, нижняя фотография — кросс-поляризованный свет, масштаб слева в центре — 0,25 мм. Этот тип зерна может быть основным компонентом литического песчаника.

Матрица

Матрица представляет собой очень тонкий материал, который присутствует в межзерновом поровом пространстве между зернами каркаса. [1] Природа матрицы в межзерновом поровом пространстве приводит к двойной классификации:

Цемент

Цемент — это то, что связывает зерна силикокластического каркаса вместе. Цемент — это вторичный минерал, который образуется после отложения и во время захоронения песчаника. [1] Эти цементирующие материалы могут быть как силикатными минералами, так и несиликатными минералами, такими как кальцит. [1]

Песчаник, который истощается от цементного связующего в результате выветривания, постепенно становится рыхлым и нестабильным. Этот процесс можно несколько обратить вспять, применяя тетраэтилортосиликат (Si(OC 2 H 5 ) 4 ), который будет откладывать аморфный диоксид кремния между зернами песка. [21] Реакция выглядит следующим образом.

Si(OC2H5 ) 4 ( ж) + 2H2O ( ж ) → SiO2 ( т ) + 4C2H5OH ( г )

Поровое пространство

Поровое пространство включает открытые пространства внутри скалы или почвы. [22] Поровое пространство в скале имеет прямое отношение к пористости и проницаемости скалы. Пористость и проницаемость напрямую зависят от того, как упакованы вместе зерна песка. [1]

Виды песчаника

Песчаники обычно классифицируются путем подсчета точек тонкого сечения с использованием метода, подобного методу Газзи-Дикинсона . Это дает относительные проценты кварца, полевого шпата и литических зерен, а также количество глинистой матрицы. Состав песчаника может предоставить важную информацию о генезисе осадков при использовании с треугольным фрагментом кварца , полевого шпата, литического фрагмента ( диаграммы QFL ). Однако геологи не смогли прийти к согласию относительно набора границ, разделяющих области треугольника QFL. [1]

Тройной график, показывающий относительное содержание кварца, полевого шпата и литических зерен в песчанике.

Визуальные средства — это диаграммы, которые позволяют геологам интерпретировать различные характеристики песчаника. Например, диаграмма QFL может быть отмечена моделью происхождения , которая показывает вероятное тектоническое происхождение песчаников с различным составом зерен каркаса. Аналогично, диаграмма стадии текстурной зрелости иллюстрирует различные стадии, через которые проходит песчаник по мере увеличения степени кинетической обработки осадков. [23]

Схематическая диаграмма QFL, показывающая тектонические провинции и происхождение песчаника

Схема классификации Дотта

Диаграмма, демонстрирующая слегка измененную версию схемы классификации Дотта (1964)

Схема классификации песчаников Дотта (1964) является одной из многих подобных схем, используемых геологами для классификации песчаников. Схема Дотта является модификацией классификации силикатных песчаников Гилберта и включает в себя концепции двойной текстурной и композиционной зрелости Р. Л. Фолка в одну систему классификации. [25] Философия объединения схем Гилберта и Р. Л. Фолка заключается в том, что она лучше способна «изобразить непрерывную природу текстурных изменений от аргиллита до аренита и от стабильного до нестабильного состава зерен». [25] Схема классификации Дотта основана на минералогии зерен каркаса и на типе матрицы, присутствующей между зернами каркаса. [ требуется ссылка ]

В этой конкретной схеме классификации Дотт установил границу между аренитом и вакками на уровне 15% матрицы. Кроме того, Дотт также разбивает различные типы каркасных зерен, которые могут присутствовать в песчанике, на три основные категории: кварц, полевой шпат и литовые зерна. [1]

Кварцит

Когда песчаник подвергается воздействию большого тепла и давления, связанных с региональным метаморфизмом , отдельные зерна кварца перекристаллизовываются вместе с бывшим цементирующим материалом, образуя метаморфическую породу , называемую кварцитом . Большая часть или вся первоначальная текстура и осадочные структуры песчаника стираются метаморфизмом. [4] Зерна настолько тесно связаны, что когда порода разрушается, она раскалывается по зернам, образуя нерегулярный или раковистый излом. [26]

Геологи признали к 1941 году, что некоторые породы демонстрируют макроскопические характеристики кварцита, даже если они не подвергались метаморфизму при высоком давлении и температуре. Эти породы подвергались только гораздо более низким температурам и давлениям, связанным с диагенезом осадочных пород, но диагенез сцементировал породу настолько основательно, что для ее отличия от метаморфического кварцита необходимо микроскопическое исследование. Термин ортокварцит используется для отличия такой осадочной породы от метакварцита, полученного в результате метаморфизма. В более широком смысле, термин ортокварцит иногда более широко применялся к любому кварцевому арениту, сцементированному кварцем . Ортокварцит (в узком смысле) часто состоит на 99% из SiO2 с очень небольшим количеством оксида железа и устойчивых к следам минералов, таких как циркон , рутил и магнетит . Хотя обычно присутствует немного ископаемых , первоначальная текстура и осадочные структуры сохраняются. [27] [28]

Типичное различие между настоящим ортокварцитом и обычным кварцевым песчаником заключается в том, что ортокварцит настолько сильно сцементирован, что он будет ломаться поперек зерен, а не вокруг них. [29] Это различие можно распознать в полевых условиях . В свою очередь, различие между ортокварцитом и метакварцитом заключается в начале перекристаллизации существующих зерен. Разделительная линия может быть размещена в точке, где напряженные зерна кварца начинают заменяться новыми, ненапряженными, мелкими зернами кварца, создавая текстуру раствора , которую можно определить в тонких срезах под поляризационным микроскопом. С увеличением степени метаморфизма дальнейшая перекристаллизация создает пенистую текстуру , характеризующуюся полигональными зернами, встречающимися в тройных стыках, а затем порфиробластическую текстуру , характеризующуюся грубыми, нерегулярными зернами, включая некоторые более крупные зерна ( порфиробласты ). [26]

Использует

Панорамная фотография Четырехугольника
Главный четырехугольник Сиднейского университета , так называемого университета из песчаника
Статуя из песчаника «Мария Иммакулата» работы Фиделиса Шпорера, около 1770 г., Фрайбург , Германия
В пещерах Ласко , Франция, обнаружена масляная лампа из песчаника возрастом 17 000 лет

Песчаник использовался с доисторических времен для строительства, [30] [31] декоративных произведений искусства [32] и инструментов. [33] Он широко использовался по всему миру при строительстве храмов, [34] церквей, [34] домов и других зданий, а также в гражданском строительстве . [35]

Хотя его устойчивость к выветриванию различна, песчаник легко обрабатывать. Это делает его распространенным строительным и мощеным материалом, в том числе в асфальтобетоне . Однако некоторые типы, которые использовались в прошлом, такие как песчаник Коллихерст, используемый в Северо-Западной Англии , имели плохую долгосрочную устойчивость к выветриванию, что потребовало ремонта и замены в старых зданиях. [36] Из-за твердости отдельных зерен, однородности размера зерен и рыхлости их структуры некоторые типы песчаника являются отличными материалами для изготовления точильных камней , для заточки лезвий и других инструментов. [37] Нерыхлый песчаник может использоваться для изготовления точильных камней для измельчения зерна, например, гравелит .

Тип чистого кварцевого песчаника, ортокварцита, с содержанием кварца более 90–95 процентов [38] , был предложен для номинации в качестве Всемирного наследия каменных ресурсов . [39] В некоторых регионах Аргентины фасад , отделанный ортокварцитом, является одной из главных особенностей бунгало в стиле Мар-дель-Плата . [39]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al Боггс, Сэм (2006). Принципы седиментологии и стратиграфии (4-е изд.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall. С. 119–135. ISBN 0131547283.
  2. ^ Свонсон, Сьюзен К.; Бар, Джин М.; Брэдбери, Кеннет Р.; Андерсон, Кристин М. (февраль 2006 г.). «Доказательства преимущественного потока через водоносные горизонты песчаника в Южном Висконсине». Sedimentary Geology . 184 (3–4): 331–342. Bibcode : 2006SedG..184..331S. doi : 10.1016/j.sedgeo.2005.11.008.
  3. ^ Бьорликке, Кнут; Ярен, Йенс (2010). «Песчаники и резервуары песчаника». Нефтяная геология . стр. 113–140. дои : 10.1007/978-3-642-02332-3_4. ISBN 978-3-642-02331-6.
  4. ^ Маршак, Стивен. Основы геологии (3-е изд.). С. 182.
  5. ^ Powell, Darryl. "Quartzite". Mineral Information Institute. Архивировано из оригинала 2009-03-02 . Получено 2009-09-09 .
  6. ^ ab "A Basic Sedimentary Rock Classification", LS Fichter, Department of Geology/Environmental Science, James Madison University (JMU), Harrisonburg, Virginia, октябрь 2000 г., JMU-sed-classif Архивировано 23 июля 2011 г. на Wayback Machine (дата обращения: март 2009 г.): разделяет обломочные, химические и биохимические (органические).
  7. ^ Leeder, MR (2011). Седиментология и осадочные бассейны: от турбулентности к тектонике (2-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс, Великобритания: Wiley-Blackwell. С. 3–28. ISBN 9781405177832.
  8. ^ Блатт, Харви; Трейси, Роберт Дж. (1996). Петрология: магматические, осадочные и метаморфические (2-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. С. 241–242, 258–260. ISBN 0716724383.
  9. ^ Блатт и Трейси 1996, стр. 220-227.
  10. ^ Блатт и Трейси 1996, стр. 265-280.
  11. ^ abcde Боггс 2006, стр. 147-154
  12. ^ ab Choquette, PW; Pray, LC (1970). «Геологическая номенклатура и классификация пористости в осадочных карбонатах». Бюллетень AAPG . 54. doi :10.1306/5D25C98B-16C1-11D7-8645000102C1865D.
  13. Walker, Theodore R.; Waugh, Brian; Grone, Anthony J. (1 января 1978 г.). «Диагенез в пустынных аллювиальных отложениях первого цикла кайнозойского возраста, юго-запад США и северо-запад Мексики». GSA Bulletin . 89 (1): 19–32. Bibcode : 1978GSAB...89...19W. doi : 10.1130/0016-7606(1978)89<19:DIFDAO>2.0.CO;2.
  14. ^ Боггс 2006, стр. 148
  15. ^ Стоун, В. Нейлор; Сивер, Нейлор (1996). «Количественная оценка уплотнения, растворения под давлением и цементации кварца в умеренно и глубоко залегающих кварцевых песчаниках из бассейна реки Грейтер Грин, Вайоминг». Специальные публикации SEPM . Получено 2 октября 2020 г.
  16. ^ Доррик А. В. Стоу (2005). Осадочные породы в полевых условиях: Цветовой путеводитель. Manson Publishing. ISBN 978-1-874545-69-9. Получено 11 мая 2012 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  17. ^ ab Фрэнсис Джон Петтиджон; Пол Эдвин Поттер; Рэймонд Сивер (1987). Песок и песчаник. Springer. ISBN 978-0-387-96350-1. Получено 11 мая 2012 г.
  18. ^ Протеро и Шваб, Дональд Р. и Фред (1996). Осадочная геология . У. Х. Фриман. п. 24. ISBN 0-7167-2726-9.
  19. ^ ab Prothero, D. (2004). Осадочная геология. Нью-Йорк, NN: WH Freeman and Company
  20. ^ Протеро, Д.Р. и Шваб, Ф., 1996, Осадочная геология, с. 460, ISBN 0-7167-2726-9 
  21. ^ Саррага, Рамон; Альварес-Гаска, Долорес Э.; Сервантес, Хорхе (1 сентября 2002 г.). «Влияние растворителя на образование пленки TEOS в процессе консолидации песчаника». Кремниевая химия . 1 (5): 397–402. doi :10.1023/B:SILC.0000025602.64965.e7. S2CID  93736643.
  22. ^ abc Джексон, Дж. (1997). Глоссарий геологии. Александрия, Вирджиния: Американский геологический институт ISBN 3-540-27951-2 
  23. Боггс 2006, стр. 130–131.
  24. ^ Кароцци, А. (1993). Осадочная петрография. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall ISBN 0-13-799438-9 
  25. ^ ab Роберт Х. Дотт (1964). «Вакка, граувакка и матрица: какой подход к классификации незрелых песчаников?». Журнал исследований осадочного материала SEPM . 34 (3): 625–32. doi :10.1306/74D71109-2B21-11D7-8648000102C1865D.
  26. ^ ab Howard, Jeffrey L. (ноябрь 2005 г.). «Повторный взгляд на проблему кварцита». The Journal of Geology . 113 (6): 707–713. Bibcode : 2005JG....113..707H. doi : 10.1086/449328. S2CID  128463511.
  27. ^ Ирландия, HA (1974). «Запрос: Ортокварцит????». Журнал осадочной петрологии . 44 (1): 264–265. doi :10.1306/74D729F0-2B21-11D7-8648000102C1865D.
  28. ^ Аллаби, Майкл (2013). Словарь геологии и наук о Земле (Четвертое издание). Оксфорд: Oxford University Press. ISBN 9780199653065.
  29. ^ Джексон, Джулия А., ред. (1997). Глоссарий геологии (Четвертое изд.). Александрия, Вирджиния: Американский геологический институт. стр. 525. ISBN 0922152349.
  30. ^ Эпплгейт, Алекс; Зедено, Ниевес (2001). "Участок E-92-8: Поздний доисторический компонент C-группы в Набта-Плайя". Голоценовое поселение Египетской Сахары . С. 529–533. doi :10.1007/978-1-4615-0653-9_19. ISBN 978-1-4613-5178-8.
  31. ^ Ройден, Майк. "The Calderstones". Майк Ройден. Архивировано из оригинала 2008-07-25 . Получено 2009-07-20 .
  32. ^ Бан, Пол Г. (1998). Кембриджская иллюстрированная история доисторического искусства . Кембридж, Великобритания: Нью-Йорк. С. 84. ISBN 978-0521454735.
  33. ^ Смит, Кевин Н.; Веллановет, Рене Л.; Шольц, Сабрина Б.; Вэрмлендер, Себастьян KTS (август 2018 г.). «Анализ остатков, закономерности износа и репликативные исследования указывают на то, что инструменты из песчаника использовались в качестве разверток при производстве рыболовных крючков из ракушек на острове Сан-Николас, Калифорния». Журнал археологической науки: Отчеты . 20 : 502–505. Bibcode : 2018JArSR..20..502S. doi : 10.1016/j.jasrep.2018.05.011 .
  34. ^ ab Saleh, Saleh A.; Helmi, Fatma M.; Kamal, Monir M.; E. El-Banna-a1, Abdel-Fattah (май 1992 г.). «Изучение и консолидация песчаника: храм Карнака, Луксор, Египет». Studies in Conservation . 37 (2): 93–104. doi :10.1179/sic.1992.37.2.93.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  35. ^ Гриссом, Кэрол А.; Алоиз, Эмили М.; Виченци, Эдвард П.; Ливингстон, Ричард А. (2020). «Песчаник Сенека: камень наследия США». Геологическое общество, Лондон, Специальные публикации . 486 (1): 163–176. Bibcode : 2020GSLSP.486..163G. doi : 10.1144/SP486.4. S2CID  134230768.
  36. ^ Эденсор, Т. и Дрю, И. Строительный камень в городе Манчестер: церковь Св. Анны. Архивировано 11 июня 2016 г. на Wayback Machine . Sci-eng.mmu.ac.uk. Получено 11 мая 2012 г.
  37. ^ Ганнибал, Джозеф Т. (2020). «Песчаник Береа: исторический камень международного значения из Огайо, США». Геологическое общество, Лондон, Специальные публикации . 486 (1): 177–204. Bibcode : 2020GSLSP.486..177H. doi : 10.1144/SP486-2019-33. S2CID  210265062.
  38. ^ "Определение ортокварцита – глоссарий mindat.org". www.mindat.org . Получено 13.12.2015 .
  39. ^ ab Cravero, Fernanda; et al. (8 июля 2014 г.). "'Piedra Mar del Plata': аргентинский ортокварцит, достойный того, чтобы считаться 'Каменным ресурсом мирового наследия'" (PDF) . Геологическое общество, Лондон. Архивировано из оригинала (PDF) 9 апреля 2015 г. . Получено 3 апреля 2015 г. .

Библиография

Дальнейшее чтение