Формация Марцеллус или сланцы Марцеллус — среднедевонская единица осадочных пород, обнаруженная в восточной части Северной Америки . Названная по отличительному выходу на поверхность около деревни Марцеллус , штат Нью-Йорк , в Соединенных Штатах , [3] она простирается на большую часть Аппалачского бассейна . [4] [5] [6]
Название подразделения, используемое Геологической службой США (USGS), включает сланцы Марцеллус и формацию Марцеллус . [7] Термин «сланцы Марцеллус» является предпочтительным названием на большей части Аппалачского региона, хотя термин «формация Марцеллус» также приемлем в штате Пенсильвания. [7] Подразделение было впервые описано и названо как «сланцы Марцеллус» Дж. Холлом в 1839 году. [8]
Марцеллус состоит в основном из черного сланца и нескольких известняковых пластов и концентраций железного пирита ( Fe S 2 ) и сидерита (Fe CO 3 ). [9] Как и большинство сланцев, он имеет тенденцию легко раскалываться вдоль плоскости напластования, свойство, известное как трещиноватость . [9] Более светлые сланцы в верхней части формации имеют тенденцию раскалываться на небольшие тонкогранные фрагменты после воздействия. [10] Эти фрагменты могут иметь пятна ржавчины от воздействия воздуха на пирит и крошечные кристаллы гипса ( Ca SO 4 ·2 H 2 O ) от реакции между пиритом и частицами известняка. [10] Свежие выходы пиритоносного сланца могут развить вторичную минерализацию оранжевого лимонита (Fe O ( OH ) · nH 2 O), а также бледно-желтые выцветы или цветение серы , связанные с дренажем кислых пород . [11]
Пирит особенно распространен вблизи основания [12] и верхних контактов известняков, но фрамбоидальные микрокристаллы и эвгедральные кристаллы пирита встречаются по всему богатому органикой месторождению. [13] Марцеллус также содержит уран , [14] [15] и радиоактивный распад урана -238 ( 238 U) делает его исходной породой для радиоактивного газа радона ( 222 Rn). [16]
Измеренное общее органическое содержание Марцеллуса колеблется от менее 1% в восточной части Нью-Йорка до более 11% в центральной части штата, [17] [18] и сланец может содержать достаточно углерода для поддержания горения . [19] Более богатые органикой черные сланцы могут быть битуминозными , но они слишком старые, чтобы содержать битуминозный уголь, образованный наземными растениями. [20] В нефтяной геологии эти черные сланцы являются важной материнской породой , которая заполнила обычные нефтяные резервуары в вышележащих формациях, являются нетрадиционным резервуаром сланцевого газа и непроницаемой изоляцией, которая удерживает нижележащие обычные резервуары природного газа . [21] На западе формация может производить жидкую нефть ; далее на север нагревание во время более глубокого захоронения более 240 миллионов лет назад расщепило эту нефть на газ. [17] [22]
Marcellus встречается по всему региону плато Аллегейни в северной части Аппалачского бассейна Северной Америки. В Соединенных Штатах Marcellus Shale проходит через регионы Южного яруса и Фингер-Лейкс в Нью-Йорке , в северной и западной Пенсильвании , восточном Огайо , через западный Мэриленд и через большую часть Западной Вирджинии , простираясь через границу штата в крайнюю западную Вирджинию . [23] Marcellus коренная порода в восточной Пенсильвании [24] простирается через реку Делавэр в крайнюю западную часть Нью-Джерси . [1] Он также существует в недрах небольшой части Кентукки и Теннесси . [25] Ниже озера Эри его можно найти, пересекая границу с Канадой , где он простирается между Порт-Стэнли и Лонг-Пойнт до Сент-Томаса в южном Онтарио . [26] [27]
Марцеллус появляется в обнажениях вдоль северного края формации в центральной части Нью-Йорка. Там две плоскости сочленения в Марцеллусе находятся почти под прямым углом, каждая из которых создает трещины в формации, которые идут перпендикулярно плоскости напластования, которая лежит почти ровно. [10] Эти сочленения образуют гладкие почти вертикальные скалы , а пересекающиеся плоскости сочленения образуют выступающие углы на скальных поверхностях. [10] После обнажения выветренные поверхности теряют большую часть своего органического углерода, [28] меняя цвет с черного или темно-серого на более светлый оттенок серого.
Выходы Марцеллуса могут содержать очень маленькие пласты, которые напоминают уголь . [29] Выходы Нью-Йорка и другие, расположенные южнее в Пенсильвании и Нью-Джерси, были широко раскопаны в начале 19-го века, иногда с большими затратами, в ложной надежде найти пригодные для добычи угольные пласты . [29] В округе Перри, штат Пенсильвания, вдоль реки Джуниата ложные угольные пласты достигают толщины до 0,3 м (1 фут), но они не давали ценного топлива, несмотря на значительные усилия, затраченные на его добычу с окружающих холмов. [30] Морские водоросли и морские растения, вероятно, образовали ложный уголь. Настоящий уголь образуется из наземных растений, которые только начали появляться в Марцеллусе и более поздних ископаемых. [31] [32]
Близость к поверхности коренной породы Марцеллус к югу от выходов на поверхность Нью-Йорка делает полосу с востока на запад, проходящую через город Сиракузы [14], зоной повышенного риска для радона как загрязнителя воздуха внутри помещений . [33] От поверхностных выходов вдоль северных и восточных границ формация опускается на глубину более 2700 м (8900 футов) ниже поверхности в южной Пенсильвании. [25]
Поднятые пласты обнажаются в секциях складчатых Аппалачей с хребтом и долиной [23], включая обнажения на флангах и оси синклинория Брод-Топ на юге центральной Пенсильвании. [12] Обнаженные пласты почти горизонтальны на плато Аллегейни [34] , но подняты, образуя слегка опрокинутые пласты, обнаруженные вдоль фронта Аллегейни [35] От Уинд-Гэпа, Пенсильвания, по направлению на юг, падение пластов становится круче, становясь вертикальным в Боуманстауне на реке Лихай [30] Неподалеку, в районе Лихай-Гэп в Пенсильвании, Марцеллус сильно нарушен сбросами [ 36] , и пласты круто опрокинуты с обратным углом падения до 40° на юг [30]
Сланец Марцеллус и мелкозернистые сланцы около середины формации Махантанго классифицируются геологами как склонообразующие . [37] Пласты сланцев Марцеллус и Махантанго, падающие под углом от 60° до 75° на запад, образуют западные склоны хребта Тоноловей на западном фланге антиклинали горы Какапон в Восточном Пэнхэндле Западной Вирджинии . [38] На восточном крыле этой антиклинали пласты этих сланцев, падающие на восток под более пологим углом, также образуют крутые склоны на восточной стороне хребта Уорм Спрингс . [38]
Марцеллус легко подвергается эрозии , а также находится под низкими участками между некоторыми хребтами Аппалачей, образуя линейные долины умеренного рельефа. Эти поверхности коренных пород обычно покрыты коллювием от эрозии стратиграфически более высоких и более устойчивых к эрозии слоев, которые формируют окружающие возвышенности. [12] Почвы, образованные из Марцеллуса и вышележащих сланцев Гамильтона, глубокие, свободны от камней и хорошо подходят для сельского хозяйства . [10] Отбор проб почвы, образованной на коренной породе Марцеллуса, показал, что доминирующая минералогия состояла из кварца , иллита , монтмориллонита , мусковита и биотита , с фазами тодорокита и троны , появляющимися на глубинах ближе к коренной породе. [39]
Поднятые пласты мягкого сланца также захватывают ручьи и реки с относительно прямыми участками в простирающихся долинах, таких как ручей Аквашикола и ручей Макмайкл у подножия гор Поконо [30] и длинный прямой участок реки Лост в Западной Вирджинии. [40] Ниже Порт-Джервиса , штат Нью-Йорк , хребет Уолпак отклоняет реку Делавэр в долину Минисинк, где она следует юго-западному простиранию размытых пластов Марцеллус вдоль границы штатов Пенсильвания и Нью-Джерси на протяжении 40 км (25 миль) до конца хребта в излучине Уолпак в национальной зоне отдыха Делавэр-Уотер-Гэп [1] [41] Минисинк — это погребенная долина , где Делавэр течет в слое ледникового тилла , который похоронил размытую коренную породу Марцеллус во время последнего ледникового периода . Эта погребенная долина продолжается вдоль простирания реки Марцеллус на юго-запад от изгиба через Страудсбург, штат Пенсильвания , и на северо-восток от Порт-Джервиса к реке Гудзон , [41] вдоль маршрута канала Делавэр и Гудзон . [30]
Стратиграфически Марцеллус является самой нижней единицей девонской группы Гамильтона и делится на несколько подгрупп. В первой геологической службе Пенсильвании , начатой в 1836 году, Генри Дарвин Роджерс классифицировал Марцеллус как «Cadent Lower Black Slate», которому он присвоил номер «№ VIII b». [43] В первой геологической службе штата Нью-Йорк , также начатой в том же году, Джеймс Холл ввел термин «Marcellus Shale» в своем отчете 1839 года под названием « Marcellus Shales in Seneca County » . [44] Профессор Холл также выступал в 1839 году против формулирования геологических названий на основе наблюдаемых характеристик, которые могут меняться от места к месту или нуждаться в пересмотре в будущем, и в пользу номенклатуры, основанной на местоположении, где «горная порода или группа получит свое название от места, где она лучше всего разрабатывается». [45] Его аргументы оказались убедительными, и название, основанное на местоположении, а также многие другие названия групп, которые он опубликовал на основе наблюдений в Нью-Йорке, были приняты во втором исследовании в Пенсильвании и в настоящее время широко распространены.
В первом исследовании Нью-Йорка сланцы Марцеллус были помещены ниже группы Гамильтона в основании подразделения Эри Нью-Йоркской системы, но эта таксономия устарела. [41]
В современной практике сланцы Марцеллус (сокр. Dm или Dms) классифицируются как базальная единица группы Гамильтона (Dh), [17] залегающая под формацией Махантанго (Dmh), входящей в эту группу в Пенсильвании [46] и Мэриленде. В Нью-Йорке Махантанго, также относящаяся к среднему девонскому периоду, далее разделяется. Там Марцеллус отделен от вышележащей формации Сканеателес, более обломочного и содержащего окаменелости темного сланца, тонким слоем известняка Стаффорда или Моттвилла. [47] [48]
В Западной Вирджинии Марцеллус может быть отделен от бурых сланцев Махантанго случайными пластами песчаника и конкрециями , [49] или он может лежать непосредственно под более молодой позднедевонской формацией Харрел (или ее латеральными эквивалентами) из-за несогласия , [50] которое представляет собой пробел в геологической летописи из-за периода эрозии или отсутствия осаждения. В восточном Огайо группа Гамильтона также лежит несогласно под сланцевым членом Райнстрит формации Уэст-Фоллс , еще одним трансгрессивным черным сланцевым языком с похожими характеристиками, что и Марцеллус. [51]
Сланец Марцеллус обычно отлагается на известняке формации Онондага (Дон), которая простирается до конца раннего девонского периода. Контакт между ними может быть резким, постепенным или эрозионным. На юго-западе Онтарио, Канада, к северу от озера Эри , Марцеллус залегает на формации Данди, боковом эквиваленте Онондага. [52] [53] В Пенсильвании Марцеллус образует резкий согласный контакт с известняком Селинсгроув Онондага. [54] Тонкий пирит-карбонатный пласт также обнаружен в основании черного сланца Марцеллус в обнажениях южной центральной Пенсильвании, над тонким известковым зеленым пластом сланца, который залегает на известняке Онондага. [19]
В восточном Нью-Йорке контакт между Марцеллус и Онондага (где присутствует) является постепенным. [55] [56] В западном Нью-Йорке часть Юнион-Спрингс Марцеллус согласно залегает над частью Сенека известняка Онондага, [13] или стратиграфически более высокая часть Черри-Вэлли известняка может залегать непосредственно и несогласно на Онондага при отсутствии сланцев Юнион-Спрингс. [57] [52] Локальное исчезновение единиц Онондага предполагает, что его верхний контакт с Марцеллус может быть эрозионным. [57] В округе Эри на западе Нью-Йорка как верхний, так и нижний контакт Марцеллус размыты. [58]
На востоке Западной Вирджинии Марцеллус залегает над группой Онесквито, состоящей из темно-серых или зеленых, кальцитовых, в основном нерасщепляющихся сланцев Нидмор, которые на западе переходят в Хантерсвилльский кремнистый сланец. [49] На юге и западе группа Гамильтон переходит латерально в формацию сланцев Милборо на юге Западной Вирджинии и Вирджинии, [59] которая переходит в нижнюю часть сланцев Чаттануга в Теннесси . [60]
Milboro является градационным по отношению к нижележащим сланцам Needmore Formation. [60] К югу от линии Мейсон-Диксон , из-за сложности дифференциации сланцев Millboro и Needmore при ограниченных доступных обнажениях [61] и изначальной неопределенности в корреляции с данными обследования в Нью-Йорке, они были нанесены на карту как формация Romney, подразделение, содержащее все слои среднего девона, [38] названное по обнажению в Romney, Западная Вирджиния . [3] Корреляции были установлены к 1916 году путем отслеживания обнажений New York через Пенсильванию и Мэриленд в Западную Вирджинию, поэтому в соответствии с принципом научного приоритета [38] классификация Romney в настоящее время устарела; но ее члены Marcellus и нижележащие сланцы Needmore по-прежнему обнаруживаются сгруппированными в недифференцированном подразделении карты (Dmn). [62]
Метабентонит Тиога или К- бентонит – стратиграфическая единица толщиной около 0,6 м (2 фута), состоящая из нескольких отдельных, относительно тонких вулканических пепловых осадков – также включена в основание Марцеллуса в восточной Пенсильвании. [46] В 1843 году он был описан без названия Холлом, [64] и прошло более 100 лет, прежде чем он был окончательно назван в честь месторождения природного газа в округе Тиога, штат Пенсильвания , [65] где он был обнаружен при бурении газовых скважин . Это региональный стратиграфический маркер, [59] используемый геологами для идентификации Марцеллуса, [66] и корреляции латерально эквивалентных слоев. [52] [67] Трудность правильной идентификации более 80 различных пеплопадов в течение девонского периода, собранных в 15 или более пластов, [68] также привела к множеству несоответствий. [69]
От Вирджинии до Нью-Йорка Тиога широко распространена, протекая через центральную и северную части Аппалачского бассейна, [70] его площадь превышает 265 000 км 2 (102 000 кв. миль). [71] Эксплозивные извержения , связанные с акадийской орогенезом [72], возникшие недалеко от современной центральной Вирджинии, выбросили пепел в атмосферу. [65] Он был рассеян по Аппалачскому , Мичиганскому и Иллинойскому бассейнам южными пассатами , поскольку эта область находилась в южном полушарии в девонский период. [71] Вулканическое происхождение пепла подтверждается его отличительной минералогией — пепел откладывался непосредственно на воду, поэтому его угловатые кварцевые зерна отличаются от обломочных осадков, округленных в процессе эрозии, которая переносит их в море. [69] Когда вулканический пепел осел на дно, он смешался с этими терригенными компонентами, создав характерную литологию в осадочной породе. [69]
Tioga может появляться в формации как серый, коричневый, черный или оливковый слой или разделительная полоса, [69] состоящая из крупнокристаллического туфа или туфового сланца, [65] тонкослоистая, с хлопьями слюды размером с песок. [73] Зона пеплового слоя Tioga состоит из восьми пепловых слоев, маркированных в соответствии с их стратиграфическим порядком от A (самый старый) до H (самый молодой), [70] [74] и еще одного слоя, известного как зона средней грубозернистости Tioga. [68] [71] Ее базальные слои находятся в самых верхних слоях известняка Онондага или сланца Нидмор, а самый верхний пепловый слой — в самой нижней части сланца Марцеллус или Милборо. [59] В западной части штата Нью-Йорк пласт пепла Tioga Ash Bed B отмечает границу между группами Moorehouse и Seneca формации Онондага, [75] но в центральной части штата и южной части бассейна пласты пепла фактически находятся в Марцеллусе. [56] [70] [76] Это указывает на то, что отложение Марцеллуса там началось раньше, [56] поскольку пласты пепла представляют собой одну эпоху в геологическом времени.
Максимальная толщина Марцеллусского сланца колеблется от 270 м (890 футов) в Нью-Джерси [1] до 12 м (40 футов) в Канаде [27] В Западной Вирджинии толщина Марцеллусского сланца достигает 60 м (200 футов). [49] На крайнем востоке Пенсильвании его толщина составляет 240 м (790 футов), [41] истончаясь к западу, становясь всего лишь 15 м (49 футов) толщиной вдоль реки Огайо и всего несколько футов в округе Ликинг, штат Огайо . [77] Истончение или стратиграфическая конвергенция с востока на запад вызвана уменьшением размера зерен в обломочных отложениях, которые попали в бассейн с востока. [67] Пласты в конечном итоге «выклиниваются» на запад, поскольку осадконакопление было ограничено аркой Цинциннати [ 51] [78], выступом, который сформировал западный берег бассейна. Там, где формация относительно толстая, она делится на несколько членов, и по мере того, как формация продолжает уплотняться на восток, эти члены еще больше разделяются. Некоторые исследователи решили классифицировать Марцеллус как подгруппу и классифицировать некоторые члены как отдельные формации.
Местный пласт известняка Перселл, от 15 до 30 м (от 49 до 98 футов) переслаивающихся кальцитовых сланцев и известняков, [ 67] разделяет Марцеллус в восточной Пенсильвании. [46] Перселл стратиграфически эквивалентен пласту известняка Черри-Вэлли в Нью-Йорке, [79] биокластическому пакстоуну , [13] состоящему из скелетных известняков, с сланцевыми интервалами [18] между его нижним массивным слоем известняка, толстым нодулярным известняком/ мергелем и верхним слоем известняка. [80] Другие названные пласты включают сланцы Баковен, сланцы Кардифф, сланцы Читтенанго, песчаники Солсвилл, сланцы и известняки Юнион-Спрингс, [81] и сланцы и известняки Стоуни-Холлоу. [82] Юнион-Спрингс, Черри-Вэлли и Оатка-Крик сливаются под озером Эри, образуя сланцы Белл, известняк Рокпорт-Кворри и сланцы Аркона в Онтарио. [52]
Union Springs — это богатый органикой, пиритоносный, тонкослоистый, черновато-серый до черного сланец с конкреционными слоями аргиллита [80] и тонкими полосами ила в нижней части. На востоке он переходит в Bakoven Member, более темный, менее органический сланец с меньшим количеством слоев известняка. [18] На западе слои Union Springs тонкие, а его верхние известняки сливаются с вышележащим известковым Cherry Valley Member. [18] Региональное несогласие появляется на западе Нью-Йорка, когда Union Springs линзируется внутрь и наружу [18] , а затем снова появляется на северо-западе Пенсильвании и северо-востоке Огайо между Onondaga и Cherry Valley. [52]
В западной и центральной части Нью-Йорка самым верхним элементом является темно-серый до черного органического сланца Oatka Creek. В отличие от других девонских сланцев в этом регионе, серый сланец в верхней части Oatka Creek постепенно утолщается к западу, а также к востоку, [83] где он разделяется на кардиффский элемент, лежащий над элементом Chittenango в центральной части Нью-Йорка. [18] Богатые органикой, расщепляющиеся, сажистые черные сланцы составляют элемент Chittenango. [80] У основания Chittenango, [84] над сланцем Bierne Member, [85] лежит Halihan Hill Bed, сильно биотурбированный биокластовый известняк. [13]
Далее на восток однородный Кардифф делится на сланцы Бриджуотер, Солсвилл и Пекспорт, от основания к вершине. Бриджуотер представляет собой расщепляющийся темный илистый сланец с относительно редкими ископаемыми. Тонкая конкреционная зона лежит выше, затем Солсвилл переходит от серого известкового сланца к песчаным алевритам и мелким песчаникам наверху, с серым сланцем сланца Пекспорт и алевритом, залегающим над ним. [86]
На юге центральной Пенсильвании Марцеллус картируется тремя членами, сверху вниз: Маханой (Dmm), темно-серый до серовато-черный илистый сланец и алеврит; Турецкий хребет (Dmt), оливковый до темно-серого мелко-среднезернистый песчаник; и Шамокин (Dms), темно-серый до серовато-черный расщепляющийся углеродистый сланец, который местами известняк вблизи основания. [87] Турецкий хребет обычно картируется в формации Махантанго [88] или включается в формацию Монтебелло (Dmot) [89] , и только Шамокин коррелирует с Марцеллусом на соседних листах карты. [90] На крайнем востоке Пенсильвании, над Стоуни-Холлоу и Юнион-Спрингс залегает пласт Бродхед-Крик, состоящий из темно-серого илистого сланца с темно-серыми сланцеватыми известняковыми конкрециями, толщиной до 275 м (902 фута). [91]
В Марцеллусе найдено относительно немного включений окаменелой морской фауны , [46] но эти окаменелости по-прежнему важны для палеонтологии. Например, Марцеллус содержит самую древнюю из известных разнообразных коллекций тонкостенных моллюсков, все еще имеющих хорошо сохранившуюся микроструктуру раковины. [93] Это также место, где гониатиты , вымершие панцирные пловцы, похожие на кальмаров, впервые появляются в палеонтологической летописи. [94] Жизнь на суше также появляется в палеонтологической летописи в Марцеллусе, со стволами хвойных деревьев без ветвей, которые уплыли в море, чтобы сохраниться в черном сланце. [31] [32]
Окаменелости Марцеллуса включают образцы крупного моллюска- брахиопода Spinocyrtia. [95] Внешние формы морских лилий , растительноподобных животных, связанных с морскими звездами, также известных как «морские лилии», [96] обнаружены в формации, [97] с формами, частично заполненными лимонитом ; формы брахиопод и двустворчатых моллюсков (моллюсков) также были обнаружены в сланце. [98] Небольшие конические тентакулитиды обычно встречаются в группе Читтенанго. [80] Слой холма Халихан содержит стилиолинид и макрофауну, включая брахиопод, коралловых мшанок , мелких двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков (улиток), [13] включенных после смены фауны , когда эмсская и эйфельская фауна скохари/онондага была заменена живетской фауной Гамильтона. [84]
Группа Солсвилля содержит хорошо сохранившихся двустворчатых моллюсков, брюхоногих моллюсков и плеченогих моллюсков. [86] Эти моллюски жили в бентической зоне на дне прибрежной морской среды и открытой морской среды, которая существовала к западу от древней дельты Катскилла . [99] Ископаемая летопись в этой группе показывает, что в основании доминировали питающиеся осадками , в то время как в верхних слоях доминировали фильтраторы . [99] Это можно соотнести с литологией: более тонкие отложения сланцев в основании этой группы содержали бы обильное прилипшее органическое вещество для питающихся осадками, но имели бы тенденцию загрязнять жабры фильтраторов при нахождении во взвешенном состоянии; более грубые отложения песчаников в верхней части содержали бы меньше органического вещества для поддержки питающихся осадками. [99] Ниже Солсвилля, у основания Отсего в восточной части Нью-Йорка, обнаружен коралловый слой ; еще один коралловый слой можно увидеть в верхней части Марцеллуса около Берна, Нью-Йорк . [100]
Разнообразная, похожая на угрей фауна конодонтов встречается в известняке Черри-Вэлли-Мембера, [101] который также известен своей богатой фауной наутилоидных и гониатитовых головоногих . [80] Первоначально названный гониатитовым известняком , [102] он производит их окаменелые останки с раковинами, которые могут быть больше 0,3 м (1 фут) в поперечнике. [43] Он также содержит «Кладбище головоногих» в долине Скохари на востоке Нью-Йорка, необычное скопление обильных спиральных и прямых раковин нескольких типов крупных взрослых головоногих. В этом слое отсутствуют молодые окаменелости, что указывает на то, что если их поведение было похоже на поведение современных кальмаров, это могло быть областью, где эти девонские головоногие размножались и умирали. [103] Этот стратиграфический интервал также представляет собой прекрасный пример эпибол вторжения , которые представляют собой внезапное появление и исчезновение ископаемых таксонов в относительно тонких секциях горной породы. [104] В Вишневой долине таксоны не повторяются; вместо этого каждый тонкий конкреционный известняковый пласт содержит различные виды гониатитов. [104] В Вишневой долине и Юнион-Спрингс также содержатся хорошо сохранившиеся анарцестиды . [105]
В геологической шкале времени Марцеллус встречается в эпоху среднего девона , девонского периода , палеозойской эры , фанерозойского эона . Радиометрическое датирование образца Марцеллуса из Пенсильвании установило его возраст в 384 миллиона лет, а образец из бентонита в верхней части Онондага — в 390 ± 0,5 миллиона лет. [106]
Относительное датирование возраста Марцеллуса помещает его формирование в подразделение Cazenovia живетского яруса фауны , или 391,9–383,7 млн лет назад ( млн лет назад ). [81] Группа Юнион-Спрингс, у основания Марцеллуса в Нью-Йорке, была датирована концом эйфеля , яруса, который непосредственно предшествовал живетскому ярусу. [107] Аноксические темные сланцы в формации отмечают событие Качак , [108] морское аноксическое событие позднего эйфеля, также связанное с вымиранием . [109] В 2012 году Рид и Эриксон также изобразили формацию как эйфельскую. [110]
Хотя черный сланец является доминирующей литологией , он также содержит более легкие сланцы и переслаивающиеся слои известняка из-за изменения уровня моря во время его осаждения почти 400 миллионов лет назад . [72] Черный сланец откладывался в относительно глубокой воде, лишенной кислорода , и содержит лишь скудные ископаемые остатки . Большинство ископаемых содержится в известняковых элементах, и ископаемая летопись в этих слоях дает важные палеонтологические сведения о смене фауны .
В начале акадийской орогенеза , когда Акадийские горы поднимались, черные и серые сланцы группы Гамильтона начали накапливаться, поскольку эрозия гор откладывала терригенные осадки с суши в море. [17] Сланцы Марцеллус образовались из самых первых отложений в относительно глубокой, испытывающей недостаток осадка и кислорода ( аноксической ), впадине , которая образовалась параллельно горной цепи. [111] Эти обломки горных пород переносились в разветвленных потоках в древнюю дельту Катскилл , речную дельту, вероятно, похожую на современную дельту Нигера в Африке. [112]
Более мелкие частицы оставались взвешенными дольше в этом эпирическом море , стекая с берега в виде турбидитов в медленной, но устойчивой подводной лавине. В конце концов они остановились на дне Акадийского прогиба в Аппалачском бассейне , [113] в сотнях метров от берега, на глубине, которая могла быть 150 м (490 футов) или более от поверхности. [13] В качестве альтернативы, бассейн мог быть неглубоким, всего 50 м (160 футов) или менее, если теплая вода была достаточно стратифицирована , чтобы богатая кислородом поверхностная вода не смешивалась с бескислородной донной водой. [114] Отложение Марцеллуса привело к образованию трансгрессивного черного сланца, [51] потому что он откладывался в условиях углубления, когда дно бассейна опускалось по мере того, как поднимались горы. [115]
Темные сланцевые фации Марцеллус были образованы из флиша , мелкой грязи, отложившейся в глубокой воде; углубляющееся море, которое отложило Марцеллус, перекрыло подачу карбонатов , которые образуют известняк, и мелкозернистые флишевые отложения похоронили известняковые пласты Онондага . [116] [117] Органическое вещество, вероятно, в котором доминировал планктон , также оседало на дно, но нормальный процесс аэробного распада был подавлен в анаэробной среде, тем самым сохраняя органический углерод. [118] [119] Уран также был включен в эти органические грязи кондепозитационно, [14] что означает, что он отложился в то же время, а не был введен в формацию позже. [120] Органическое вещество поглощало микроэлементы из морской воды, [28] включая элементы, чувствительные к окислительно-восстановительному процессу , уран, рений , молибден , осмий , хром и селен . [121]
Марцеллус отложился во время развития наземных растений , когда содержание кислорода в атмосфере увеличивалось, что привело к снижению содержания углекислого газа в атмосфере и морской воде, где он отложился. [122] Названные элементы Марцеллус отражают две составные осадочные последовательности, [123] с общим циклом огрубления вверх, который продолжается в основании вышележащей формации Махантанго. [37] Перемежаемость более легких сланцевых и известняковых элементов объясняется относительно краткосрочными колебаниями глубины бассейна. [124] Более поздние глубоководные осадочные последовательности образовали вышележащие формации Бралье и Харрелл . [113]
Сланец содержит в значительной степени неиспользованные запасы природного газа , а его близость к рынкам с высоким спросом вдоль восточного побережья Соединенных Штатов делает его привлекательным объектом для разработки и экспорта энергии . [125]
Тенденция природного газа Марцеллус, охватывающая 104 000 квадратных миль и простирающаяся через Пенсильванию и Западную Вирджинию, а также на юго-восток Огайо и северную часть штата Нью-Йорк, является крупнейшим источником природного газа в Соединенных Штатах, и добыча все еще быстро росла в 2013 году. Марцеллус является примером сланцевого газа , природного газа, запертого в сланце с низкой проницаемостью, и требует метода заканчивания скважины гидравлическим разрывом пласта , чтобы позволить газу течь в ствол скважины. Всплеск активности бурения в сланце Марцеллус с 2008 года породил как экономические выгоды, так и экологические проблемы, и, таким образом, значительные споры.
Черные сланцы также содержат железную руду , которая использовалась на раннем этапе экономического развития региона, а также уран и пирит , которые представляют опасность для окружающей среды. У основания Марцеллуса, в пиритно - карбонатном пласте между углеродистым черным сланцем и зеленым известковым сланцевым пластом, [19] пирит, карбонат и грунтовые воды реагировали, образуя оксид железа и гипс . [126] Насколько могли проникнуть грунтовые воды, необходимые для преобразования, пиритно-карбонат был преобразован в пригодную для использования коричневую гематитовую железную руду вдоль выходов на поверхность и вблизи поверхности коренной породы. [30] Железная руда Марцеллуса активно добывалась на юге Центральной Пенсильвании с момента ее открытия в конце 18 века, пока она не была вытеснена богатыми рудными пластами Железного хребта Миннесоты в начале 20 века . [127] Руду было легко обнаружить и добыть из неглубоких карьеров и шахт, но как только пригодные для использования верхние залежи были удалены или если шахтный ствол проник в пласт слишком глубоко под поверхность, были обнаружены только непригодные для использования непреобразованные пиритовые залежи. [19]
Гематитовая руда была преобразована в чугун в доменных печах, работающих на древесном угле , которые были построены по всему региону реки Джуниата вблизи месторождений пригодной для разработки руды из Марцеллус и других формаций. [127] Железосодержащие изделия из этой области, известные как «железо Джуниата», производились в период между Американской революцией и Гражданской войной в США . Эти доменные печи были важны для экономики региона в то время, [128] но печи с холодным дутьем , которые обычно использовались, были неэффективны и потребляли значительное количество древесины из близлежащих лиственных лесов, что в конечном итоге привело к их упадку. [129] Типичная печь использовала 2400 кг (5300 фунтов) гематитовой руды и 7,3 м 3 (200 имп бушельских бушелей) древесного угля для производства 910 кг (2010 фунтов) чугуна, [19] и могла производить несколько тысяч фунтов в день, что требовало ежедневной вырубки более 4000 м 2 (1 акра) леса. [130]
Руда из Марцелла различалась по толщине, становясь необрабатываемой тонкой и даже полностью исчезая в местах между обрабатываемыми пластами. [19] [131] Качество руды также различалось, [19] и ее не всегда было выгодно выплавлять , так как несколько печей, построенных вблизи железорудных рудников в Марцелле, были заброшены до того, как рудные и лесные ресурсы, используемые для их топлива, стали дефицитными. [131]
Руда, обнаруженная в прослоях черного сланцевого сланца, содержала относительно высокую долю углерода, который сжигался в печи, и серы , которая давала пригодное к использованию, но « красно-короткое » железо. [132] Красно-короткое железо имеет нежелательные свойства более легкого окисления и склонности к растрескиванию, особенно при нагревании до раскаленного состояния. [133] В некоторых местах в Пенсильвании качество руды было довольно хорошим, с относительно глубокими жилами, содержащими 45% железа и очень низкое содержание серы. [19] В Вирджинии руда Марцеллус иногда содержала цинк , который давал характерное зеленое пламя в печи по мере его потребления, но откладывал твердую массу нечистого оксида цинка , известного как кадмий , который со временем накапливался около верхней части дымохода и должен был периодически удаляться, чтобы поддерживать его свободным. [134]
Дренаж, который реагировал с включениями пирита, также откладывал форму болотного железа вблизи нескольких выходов Марцеллуса. В 19 веке железная руда из этих месторождений использовалась в качестве минерального пигмента для краски. После нагревания в печи и тонкого измельчения ее смешивали с льняным маслом и использовали для окраски внешней древесины на амбарах, крытых мостах и железнодорожных вагонах. [30] В дополнение к болотному железу, в нескольких наклонных местах в восточной Пенсильвании был обнаружен коричневый гематит, лежащий на коренной породе Марцеллуса, погребенной под землей. Эти отложения также были выкопаны и использованы для минеральной краски в то время. [41] Пласт гематитовой руды для краски также находится почти прямо под Марцеллусом, но на самом деле он является частью подстилающей формации Орискани. [30]
Богатые железом «железистые воды», вытекающие из железистых источников у подножия Марцелла в Бедфорде, штат Пенсильвания, как полагали коренные американцы, обладают целебными свойствами. Отель Bedford Springs был минеральным курортом, построенным в 1802 году вокруг ряда минеральных источников, включая один из них, его «железный источник». Отель Chalybeate Springs, построенный неподалеку в 1851 году вокруг трех других минеральных источников, включая еще один железистый источник, [135] стал «курортом для инвалидов». [136] Богатые железом воды прописывались при анемии и связанных с ней осложнениях. [137] Оба этих минеральных источника содержат железо в форме растворенного карбоната железа , [136] что придает этим водам «слегка чернильный привкус». [137]
Марцеллус также использовался локально для сланцевого заполнителя и общего заполнения , [12] хотя пиритовые сланцы не подходят для этой цели из-за дренажа кислотных пород и объемного расширения. [138] В 19 веке этот сланец использовался для пешеходных дорожек и дорог, [20] и считался превосходным « дорожным металлом », потому что мелкозернистые фрагменты плотно прилегали друг к другу, но хорошо дренировались после дождя. [30]
Темные сланцевые сланцы могут иметь необходимую расщепленность и твердость для обработки, и добывались для получения низкосортного кровельного сланца в восточной Пенсильвании в 19 веке. Сланцы из Марцеллуса были хуже сланца из формации Мартинсбург , добываемого южнее, и большинство карьеров были заброшены, последняя значительная операция была в округе Ланкастер. [30] Черный сланец Марцеллуса также добывался в округе Монро, штат Пенсильвания, для школьных сланцев, используемых учениками в сельских школах 19 века. [30]
Углеродистые сланцы, такие как Марцеллус, являются возможной целью для улавливания и хранения углерода для смягчения глобального потепления . Поскольку углерод адсорбирует углекислый газ (CO2 ) с большей скоростью, чем метан (CH4 ) , углекислый газ, закачиваемый в формацию для геологического секвестрирования, также может быть использован для извлечения дополнительного природного газа в процессе, аналогичном улучшенному извлечению метана из угольных пластов , но практическая ценность этой теоретической методики пока неизвестна. [51] Ученые полагают, что адсорбция позволит осуществлять секвестрацию на более мелких глубинах, чем абсорбция в глубоких соляных формациях, которые должны быть не менее 800 м (2600 футов) ниже поверхности, чтобы поддерживать жидкий CO2 в сверхкритическом состоянии . [21]
Кроме того, расщепляющиеся сланцы легко поддаются эрозии , что создает дополнительные проблемы в области гражданского строительства и охраны окружающей среды .
Воздействия от строительства дорог методом выемки и засыпки в Вирджинии и Пенсильвании привели к локальному дренажу кислотных пород из-за окисления включений пирита. [139] Недавно обнаженный сланец на поверхности выемки быстро выветривается, пропуская воздух и воду в невырытую породу, что приводит к кислотному поверхностному стоку после выпадения осадков. [140] Кислотный сток нарушает водные экосистемы , а сильнокислая почва, загрязненная этим стоком, не будет поддерживать растительность, что выглядит неприглядно и может привести к проблемам с эрозией почвы . [139]
Естественное разложение сланца на более мелкие фрагменты может повлиять на устойчивость склона , что требует более пологих склонов, которые требуют больше материала для работы по выемке и заполнению, что усугубляет проблему дренажа кислых пород. Вырезанный материал не может использоваться в качестве засыпки под дорогами и сооружениями из-за объемного расширения, что усугубляет проблему. [66] Пепельные пласты Тиоги содержат бентонитовую глину , которая также представляет опасность оползня в невыкопанной породе. [66]
Повреждение конструкций, построенных на насыпи, состоящей из пиритового сланца Марцеллус, было вызвано расширением стока серной кислоты (H 2 SO 4 ), реагирующего с кальцитом (CaCO 3 ) в сланце с образованием гипса (CaSO 4 ), который имеет двойной молярный объем . [141] Другие сульфатные минералы, которые могут быть получены в реакциях с пиритом, включают ангидрит , мелантерит , розенит , ярозит и алунит . [138] Реакции создали давление вспучивания порядка 500 кПа (10 000 фунтов на квадратный фут), но могут создать давление в четыре раза большее, чем достаточное для вспучивания фундамента в пятиэтажном здании. [138] Известняк , который используется для нейтрализации кислотного дренажа, может фактически усугубить проблему расширения, способствуя сульфатно-сульфатным реакциям, которые образуют минералы таумасит и эттрингит , которые имеют еще более высокие молярные объемы. [138]
Бурение скважин через сланцы Hamilton Group в недрах может быть проблематичным. У Marcellus относительно низкая плотность , и эти сланцы могут быть химически несовместимы с некоторыми буровыми растворами . Сланец относительно хрупкий и может трескаться под давлением, вызывая проблему с обратной циркуляцией бурового раствора через скважину, известную как потеря циркуляции. Формирование также может быть под давлением, что еще больше усложняет процесс бурения. [51]
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite map}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ) [ мертвая ссылка ]{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )