Туф — это тип горной породы, образованной вулканическим пеплом , выброшенным из жерла во время извержения вулкана . После выброса и осаждения пепел литифицируется в твердую горную породу. [1] [2] Горная порода, содержащая более 75% пепла, считается туфом, в то время как горная порода, содержащая от 25% до 75% пепла, описывается как туфовая (например, туфовый песчаник ). [3] Туф, состоящий из песчаного вулканического материала, может называться вулканическим песчаником . [4]
Туф — сравнительно мягкая горная порода, поэтому он использовался в строительстве с древних времен. [5] Поскольку он распространен в Италии, римляне часто использовали его для строительства. [6] Люди Рапа-Нуи использовали его для создания большинства статуй моаи на острове Пасхи . [7]
Туф можно классифицировать как магматическую или осадочную породу . Обычно его изучают в контексте магматической петрологии , хотя иногда его описывают с использованием седиментологических терминов.
В путеводителях и телевизионных программах туф часто ошибочно называют туфом, но на самом деле туф — это разновидность травертина .
Материал, выбрасываемый при извержении вулкана, можно разделить на три типа:
Тефра образуется, когда магма внутри вулкана разлетается на части из-за быстрого расширения горячих вулканических газов. Магма обычно взрывается, когда растворенный в ней газ выходит из раствора, когда давление падает, когда он течет к поверхности . Эти сильные взрывы производят частицы материала, которые затем могут вылететь из вулкана. Твердые частицы диаметром менее 2 мм ( размером с песчинку или меньше) называются вулканическим пеплом. [8] [3]
Вулканический пепел далее делится на мелкий пепел, с размером частиц менее 0,0625 мм в диаметре, и крупный пепел, с размером частиц от 0,0625 мм до 2 мм в диаметре. Туф соответственно делится на крупный туф (крупный пепельный туф) и мелкий туф (мелкий пепельный туф или пылевой туф). Консолидированная тефра, состоящая в основном из более крупных частиц, называется лапиллистоном (частицы диаметром от 2 мм до 64 мм) или агломератом или пирокластической брекчией (частицы диаметром более 64 мм), а не туфом. [3]
Вулканический пепел может сильно различаться по составу, поэтому туфы далее классифицируются по составу пепла, из которого они образовались. Пепел от высококремнистого вулканизма, особенно в пепловых потоках, состоит в основном из осколков вулканического стекла , [9] [10] а туф, образованный преимущественно из стеклянных осколков, описывается как витрический туф. [11] Стеклянные осколки обычно имеют либо неправильную форму, либо приблизительно треугольную с выпуклыми сторонами. Они представляют собой разрушенные стенки бесчисленных мелких пузырьков, которые образовались в магме, когда растворенные газы быстро выходили из раствора. [12]
Туфы, образованные из золы, состоящей преимущественно из отдельных кристаллов, описываются как кристаллические туфы, в то время как туфы, образованные из золы, состоящей преимущественно из измельченных обломков горных пород, описываются как литические туфы. [11]
Химический состав вулканического пепла отражает весь спектр химии вулканических пород, от высококремнистого риолитового пепла до низкокремнистого базальтового пепла, а туфы также описываются как риолитовые, андезитовые, базальтовые и т. д. [13]
Самый простой способ перемещения вулканического пепла из жерла — это облака пепла, которые являются частью колонны извержения . Они выпадают на поверхность в виде осадков , которые обычно хорошо отсортированы и имеют тенденцию образовывать одеяло равномерной толщины по всей местности. Обрушение колонны приводит к более впечатляющей и разрушительной форме переноса, которая принимает форму пирокластических потоков и волн , которые обычно плохо отсортированы и собираются в низменных местностях. Отложения волн иногда показывают осадочные структуры, типичные для высокоскоростного потока, такие как дюны и антидюны . [14] Вулканический пепел, уже отложившийся на поверхности, может переноситься в виде грязевых потоков ( лахаров ), когда смешивается с водой из-за осадков или через извержение в водоем или лед. [15]
Частицы вулканического пепла, которые достаточно горячие, будут свариваться вместе после оседания на поверхность, образуя сварной туф . Сварка требует температур свыше 600 °C (1100 °F). Если порода содержит разбросанные, размером с горошину фрагменты или фьямме , она называется сварным лапилли- туфом. Сварные туфы (и сварные лапилли-туфы) могут быть радиоактивного происхождения или откладываться из потоков пепла, как в случае игнимбритов . [16] Во время сварки стеклянные осколки и фрагменты пемзы слипаются (образуют шейки в точках контакта), деформируются и уплотняются вместе, в результате чего образуется эвтакситовая структура . [17] Сварной туф обычно имеет риолитовый состав, но известны примеры всех составов. [18] [19]
Последовательность потоков золы может состоять из нескольких охлаждающих устройств . Их можно отличить по степени сварки. Основание охлаждающего устройства обычно не сваривается из-за охлаждения от нижележащей холодной поверхности, а степень сварки и вторичных реакций от жидкостей в потоке увеличивается вверх к центру потока. Сварка уменьшается к верхней части охлаждающего устройства, где устройство охлаждается быстрее. Интенсивность сварки также может уменьшаться к областям, в которых отложение тоньше, и с расстоянием от источника. [20]
Более холодные пирокластические потоки не спаяны, а отложенные ими пепловые слои относительно неконсолидированы. [17] Однако остывший вулканический пепел может быстро литифицироваться, поскольку он обычно имеет высокое содержание вулканического стекла. Это термодинамически нестабильный материал, который быстро реагирует с грунтовыми водами или морской водой, которая выщелачивает щелочные металлы и кальций из стекла. Новые минералы, такие как цеолиты , глины и кальцит , кристаллизуются из растворенных веществ и цементируют туф. [21]
Туфы далее классифицируются по их среде осадконакопления, например, озерный туф, субаэральный туф или подводный туф, или по механизму, с помощью которого пепел был перенесен, например, туф выпадения или туф потока пепла. Переработанные туфы, образованные эрозией и переотложением отложений пепла, обычно описываются по транспортному агенту, например, эоловый туф или речной туф. [22]
Туфы имеют потенциал откладываться везде, где происходит эксплозивный вулканизм, и поэтому имеют широкое распространение по местоположению и возрасту. [23]
Риолитовые туфы содержат пемзовидные, стекловидные фрагменты и небольшие шлаки с кварцем , щелочным полевым шпатом , биотитом и т. д. Исландия, [24] Липари, [25] Венгрия, [26] Бассейн и хребет американского юго-запада и Новая Зеландия [27] входят в число областей, где такие туфы заметны. В древних породах Уэльса , [28] Чарнвуда , [29] и т. д. известны подобные туфы, но во всех случаях они сильно изменены окремнением (которое заполнило их опалом , халцедоном и кварцем) и расстекловыванием. [30] Частое присутствие округлых корродированных кристаллов кварца, таких как встречаются в риолитовых лавах, помогает продемонстрировать их истинную природу. [8]
Сваренные игнимбриты могут быть очень объемными, как, например, туф Лава-Крик, извергнувшийся из Йеллоустонской кальдеры в Вайоминге 631 000 лет назад. Первоначальный объем этого туфа составлял не менее 1000 кубических километров (240 кубических миль). [31] Известно, что туф Лава-Крик по меньшей мере в 1000 раз больше отложений извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году , и его индекс вулканической эксплозивности (VEI) составлял 8, что больше, чем у любого извержения, известного за последние 10 000 лет. [32] Туфы пепловых потоков покрывают 7000 квадратных километров (2700 квадратных миль) Северного острова Новой Зеландии и около 100 000 квадратных километров (39 000 квадратных миль) Невады . Туфы пепловых потоков являются единственным вулканическим продуктом, объемы которого сопоставимы с объемами базальтовых потоков . [27]
Бентонит Тиога на северо-востоке США варьируется по составу от кристаллического туфа до туфового сланца. Он отложился в виде пепла, переносимого ветром, который выпадал над морем и оседал на дно. Он имеет девонский возраст и, вероятно, прибыл из жерла в центральной Вирджинии , где туф достигает максимальной толщины около 40 метров (130 футов). [33]
Трахитовые туфы содержат мало или совсем не содержат кварца, но много санидина или анортоклаза , а иногда и олигоклаза полевого шпата, с редкими биотитом, авгитом и роговой обманкой. При выветривании они часто изменяются в мягкие красные или желтые аргиллиты , богатые каолином с вторичным кварцем. [8] Современные трахитовые туфы обнаружены на Рейне (в Зибенгебирге ), [34] на Искье [35] и около Неаполя . [36] Трахит-карбонатитовые туфы были обнаружены в Восточно-Африканском рифте . [37] Щелочные кристаллические туфы были обнаружены в Рио-де-Жанейро . [38]
Андезитовые туфы чрезвычайно распространены. Они встречаются вдоль всей цепи Кордильер [ 39] [40] и Анд , [41] в Вест-Индии , Новой Зеландии, [42] Японии, [43] и т. д. В Озерном крае , [44] Северном Уэльсе, Лорне , Пентленд-Хиллз , Чевиотс и многих других районах Великобритании древние породы точно такой же природы встречаются в изобилии. По цвету они красные или коричневые; их фрагменты шлаков имеют все размеры от огромных блоков до мельчайшей зернистой пыли. Полости заполнены многими вторичными минералами, такими как кальцит , хлорит , кварц, эпидот или халцедон; однако в микроскопических сечениях природу первоначальной лавы почти всегда можно определить по форме и свойствам маленьких кристаллов, которые встречаются в разложившейся стекловидной основе. Даже в мельчайших деталях эти древние туфы имеют полное сходство с современными слоями пепла Котопакси , Кракатау и Мон-Пеле. [8]
Мафический вулканизм обычно принимает форму гавайских извержений , которые не являются взрывчатыми и производят мало пепла. [45] Однако взаимодействие между базальтовой магмой и грунтовыми водами или морской водой приводит к гидромагматическим взрывам, которые производят обильное количество пепла. Они откладывают пепловые конусы, которые впоследствии могут цементироваться в туфовые конусы. Даймонд-Хед, Гавайи , является примером туфового конуса, как и остров Каула . Стекловидный базальтовый пепел, производимый в таких извержениях, быстро изменяется до палагонита в рамках процесса литификации. [46]
Хотя обычный мафический вулканизм производит мало пепла, такой пепел, который образуется, может накапливаться локально в виде значительных отложений. Примером является пепел Пахала на острове Гавайи , который локально достигает толщины 15 метров (49 футов). Эти отложения также быстро изменяются в палагонит, и в конечном итоге выветриваются в латерит . [47]
Базальтовые туфы также встречаются в Скай , Малл , Антрим и других местах, где встречаются палеогеновые вулканические породы; в Шотландии, Дербишире и Ирландии среди каменноугольных слоев и среди еще более древних пород Озерного края, южных возвышенностей Шотландии и Уэльса. Они черного, темно-зеленого или красного цвета; сильно различаются по крупности, некоторые из них полны круглых губчатых бомб диаметром фут или больше; и, будучи часто подводными, могут содержать сланец, песчаник, гравий и другой осадочный материал, а иногда ископаемые. Современные базальтовые туфы встречаются в Исландии , на Фарерских островах , на Ян-Майене , Сицилии, Гавайских островах , Самоа и т. д. При выветривании они заполняются кальцитом, хлоритом, серпентином и, особенно там, где лавы содержат нефелин или лейцит , часто богаты цеолитами , такими как анальцит , пренит , натролит , сколецит , шабазит , гейландит и т. д. [8]
Ультраосновные туфы встречаются крайне редко; их характерной чертой является обилие оливина или серпентина и дефицит или отсутствие полевого шпата и кварца . [48]
Проявления ультрамафического туфа включают поверхностные отложения кимберлита на маарах в алмазных месторождениях Южной Африки и других регионах. Основная разновидность кимберлита - темная сине-зеленая, богатая серпентином брекчия (голубая земля), которая при тщательном окислении и выветривании становится рыхлой коричневой или желтой массой («желтая земля»). [8] Эти брекчии были размещены в виде газово-твердых смесей и обычно сохраняются и добываются в диатремах , которые образуют интрузивные трубчатые структуры. На глубине некоторые кимберлитовые брекчии переходят в корневые зоны даек, сложенных нефрагментированной породой. На поверхности ультрамафические туфы могут встречаться в отложениях мааров. Поскольку кимберлиты являются наиболее распространенным магматическим источником алмазов, переходы от маара к диатреме и дайкам корневой зоны были подробно изучены. Кимберлит диатремовой фации правильнее называть ультрамафической брекчией, а не туфом.
Коматиитовые туфы встречаются, например, в зеленокаменных поясах Канады и Южной Африки. [49] [50]
С течением времени изменения, отличные от выветривания, могут настигнуть отложения туфа. Иногда они вовлекаются в складчатость и становятся сдвинутыми и расколотыми . Многие из зеленых сланцев Английского Озерного края представляют собой тонко расколотый пепел. В лесу Чарнвуд туфы также сланцеваты и расколоты. Зеленый цвет обусловлен большим развитием хлорита. Среди кристаллических сланцев многих регионов встречаются зеленые пласты или зеленые сланцы, которые состоят из кварца, роговой обманки, хлорита или биотита, оксидов железа , полевого шпата и т. д. и, вероятно, представляют собой перекристаллизованные или метаморфизованные туфы. Они часто сопровождают массы эпидиорита и роговой обманки — сланцы, которые являются соответствующими лавами и силлами . Некоторые хлоритовые сланцы также, вероятно, представляют собой измененные пласты вулканического туфа. «Шальштейны» Девона и Германии включают множество расколотых и частично перекристаллизованных пепловых пластов, некоторые из которых все еще сохраняют свою фрагментарную структуру, хотя их лапилли сплющены и вытянуты. Их паровые полости обычно заполнены кальцитом, но иногда и кварцем. Наиболее полностью измененные формы этих пород представляют собой пластинчатые, зеленые хлоритовые сланцы; в них, однако, структуры, указывающие на их первоначальную вулканическую природу, встречаются лишь изредка. Это промежуточные стадии между расколотыми туфами и кристаллическими сланцами. [8]
Основная экономическая ценность туфа — как строительного материала. В древнем мире относительная мягкость туфа означала, что его обычно использовали для строительства там, где он был доступен. [5]
Туф распространен в Италии, и римляне использовали его для многих зданий и мостов. [6] Например, весь порт острова Вентотене (который все еще используется) был высечен из туфа. Сервиева стена , построенная для защиты города Рима в четвертом веке до нашей эры, также построена почти полностью из туфа. [51] Римляне также разрезали туф на небольшие прямоугольные камни, которые они использовали для создания стен в узоре, известном как opus reticulatum . [52]
Peperino использовался в Риме и Неаполе как строительный камень, это трахитовый туф. Pozzolana также является разложившимся туфом, но основного характера, первоначально добытым около Неаполя и использовавшимся в качестве цемента , но это название теперь применяется к ряду веществ, не всегда одинакового характера. В исторической архитектуре Неаполя неаполитанский желтый туф является наиболее используемым строительным материалом. [53] Пиперно игнимбритовый туф также широко использовался в Неаполе и Кампании.
В регионе Эйфель в Германии трахитовый, пемзовый туф, называемый трассом, широко использовался в качестве гидравлического раствора . [8] Туф региона Эйфель в Германии широко использовался для строительства железнодорожных станций и других зданий во Франкфурте, Гамбурге и других крупных городах. [54] Строительство с использованием порфира Рохлица можно увидеть в скульптурном портале в стиле маньеризма снаружи входа в часовню в замке Кольдиц . [55] Торговое название порфир Рохлица является традиционным обозначением для объемного камня Саксонии с архитектурной историей более 1000 лет в Германии. Карьеры расположены недалеко от Рохлица. [ 56]
Хранилище ядерных отходов Yucca Mountain , хранилище отходов Министерства энергетики США для отработанных ядерных реакторов и других радиоактивных отходов, находится в туфе и игнимбрите в провинции Бассейн и Рейндж в Неваде . [57] В Долине Напа и Долине Сонома , Калифорния , участки, состоящие из туфа, регулярно выкапываются для хранения винных бочек. [58]
Туф из Рано-Рараку использовался народом Рапа-Нуи с острова Пасхи для изготовления большинства их знаменитых статуй моаи . [7]
Туф широко используется в Армении и армянской архитектуре . [59] Это доминирующий тип камня, используемый в строительстве в столице Армении Ереване , [60] [61] Гюмри , втором по величине городе Армении, и Ани , средневековой столице страны, ныне находящейся в Турции. [62] Небольшая деревня в Армении была переименована в Туфашен (дословно «деревня туфа») в 1946 году . [63]
Туфы геологически отлагаются мгновенно и часто на большой территории. Это делает их очень полезными в качестве временных стратиграфических маркеров. Использование туфов и других отложений тефры таким образом известно как тефрохронология и особенно полезно для четвертичной хроностратиграфии. Отдельные туфовые пласты могут быть «отпечатаны» по их химическому составу и фенокристаллическим ассоциациям. [65] Абсолютный возраст туфовых пластов может быть определен с помощью датирования K-Ar , Ar-Ar или углеродом-14 . [66] Зерна циркона , обнаруженные во многих туфах, очень долговечны и могут выдерживать даже метаморфизм вмещающего туфа в сланец, что позволяет назначать абсолютный возраст древним метаморфическим породам. Например, датирование цирконов в метаморфизованном туфовом пласте в формации Пилар предоставило некоторые из первых доказательств орогенеза Пикурис . [67]
Слово туф происходит от итальянского tufo . [68]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )...розовый туф редко встречается за пределами региона, и Ереван — единственный крупный город, построенный из этого камня.
Город, население которого сейчас превышает 800 000 человек, был перестроен из розового вулканического камня, называемого туфом...
...стены монументальных зданий в Ани (включая укрепления) были построены из гладко обработанных блоков туфа...