Сланец — это мелкозернистая, обломочная осадочная порода , образованная из грязи , которая представляет собой смесь хлопьев глинистых минералов (водных алюминиевых филлосиликатов, например, каолина , Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ) и крошечных фрагментов ( частиц размером с ил ) других минералов, особенно кварца и кальцита . [1] Сланец характеризуется своей тенденцией раскалываться на тонкие слои ( ламины ) толщиной менее одного сантиметра. Это свойство называется трещиноватостью . [1] Сланец — самая распространенная осадочная порода. [2]
Термин «сланец» иногда применяется более широко, по сути как синоним глинистой породы , а не в узком смысле, как богатая глиной расщепляющаяся глинистая порода. [3]
Сланец обычно демонстрирует различную степень трещиноватости. Из-за параллельной ориентации чешуек глинистых минералов в сланце он распадается на тонкие слои, часто занозистые и обычно параллельные в остальном неразличимым плоскостям напластования . [4] Нетрещиноватые породы схожего состава и размера частиц (менее 0,0625 мм) описываются как аргиллиты (от 1/3 до 2/3 частиц ила) или аргиллиты (менее 1/3 ила). Породы со схожими размерами частиц, но с меньшим содержанием глины (более 2/3 ила) и, следовательно, более зернистые, называются алевритами . [4] [5]
Сланцы обычно серого цвета и состоят из глинистых минералов и кварцевых зерен. Добавление различных количеств второстепенных компонентов изменяет цвет породы. Красный, коричневый и зеленый цвета указывают на оксид железа ( гематит – красные), гидроксид железа ( гетит – коричневые и лимонит – желтые) или слюдистые минералы ( хлорит , биотит и иллит – зеленые). [4] Цвет меняется от красноватого до зеленоватого, поскольку железо в окисленном ( железистом ) состоянии превращается в железо в восстановленном ( железистом ) состоянии. [6] Черный сланец является результатом присутствия более одного процента углеродистого материала и указывает на восстановительную среду. [4] Бледно-голубые или сине-зеленые сланцы обычно богаты карбонатными минералами . [7]
Глины являются основным компонентом сланцев и других глинистых пород. Представленные глинистые минералы в основном представлены каолинитом , монтмориллонитом и иллитом. Глинистые минералы позднетретичных аргиллитов представляют собой расширяемые смектиты , тогда как в более старых породах (особенно в сланцах среднего и раннего палеозоя ) преобладают иллиты. Преобразование смектита в иллит производит кремний , натрий , кальций , магний , железо и воду. Эти высвобождаемые элементы образуют аутигенный кварц , кремень , кальцит , доломит , анкерит , гематит и альбит , все следы второстепенных (кроме кварца) минералов, обнаруженных в сланцах и других глинистых породах. [4] Типичный сланец состоит примерно из 58% глинистых минералов, 28% кварца, 6% полевого шпата , 5% карбонатных минералов и 2% оксидов железа . [8] Большая часть кварца является обломочным (частью исходных осадков, которые сформировали сланец), а не аутигенным (кристаллизовавшимся внутри сланца после отложения). [9]
Сланцы и другие грязевые породы содержат примерно 95 процентов органического вещества во всех осадочных породах. Однако это составляет менее одного процента по массе в среднем сланце. Черные сланцы, которые образуются в бескислородных условиях, содержат восстановленный свободный углерод вместе с железом (Fe 2+ ) и серой (S 2− ). Аморфный сульфид железа вместе с углеродом создают черную окраску. [4] Поскольку аморфный сульфид железа постепенно превращается в пирит , который не является важным пигментом, молодые сланцы могут быть довольно темными из-за содержания в них сульфида железа, несмотря на скромное содержание углерода (менее 1%), в то время как черный цвет в древнем сланце указывает на высокое содержание углерода. [7]
Большинство сланцев имеют морское происхождение, [10] и грунтовые воды в сланцевых формациях часто очень соленые . Есть доказательства того, что сланец действует как полупроницаемая среда, пропуская воду, удерживая растворенные соли. [11] [12]
Мелкие частицы, составляющие сланец, могут оставаться взвешенными в воде долгое время после того, как более крупные частицы песка были отложены. В результате сланцы обычно откладываются в очень медленно движущейся воде и часто встречаются в озерах и лагунных отложениях, в дельтах рек , на поймах и в открытом море ниже основания волны . [13] Толстые отложения сланца встречаются вблизи древних континентальных окраин [13] и форландовых бассейнов . [14] Некоторые из наиболее распространенных сланцевых образований были отложены эпиконтинентальными морями . Черные сланцы [8] распространены в меловых слоях на окраинах Атлантического океана , где они отложились в ограниченных разломами заиленных бассейнах, связанных с открытием Атлантики во время распада Пангеи . Эти бассейны были бескислородными, отчасти из-за ограниченной циркуляции в узкой Атлантике, а отчасти потому, что в очень теплых меловых морях отсутствовала циркуляция холодной придонной воды, которая насыщает кислородом глубокие океаны сегодня. [15]
Большая часть глины должна откладываться в виде агрегатов и флоккул, поскольку скорость осаждения отдельных частиц глины чрезвычайно медленная. [16] Флокуляция происходит очень быстро, как только глина сталкивается с сильно соленой морской водой. [17] В то время как отдельные частицы глины имеют размер менее 4 микрон, комки частиц глины, полученные флокуляцией, различаются по размеру от нескольких десятков микрон до более 700 микрон в диаметре. Флокулы изначально богаты водой, но большая часть воды вытесняется из флоккул, поскольку глинистые минералы со временем связываются более плотно (процесс, называемый синерезисом ). [18] Гранулирование глины организмами, которые фильтруют пищу, важно там, где флокуляция подавлена. Фильтрующие питатели производят приблизительно 12 метрических тонн глиняных гранул на квадратный километр в год вдоль побережья Мексиканского залива США . [19]
По мере того, как осадки продолжают накапливаться, более старые, более глубоко залегающие осадки начинают подвергаться диагенезу . В основном это состоит из уплотнения и литификации частиц глины и ила. [20] [21] Ранние стадии диагенеза, описываемые как эогенез , происходят на небольших глубинах (несколько десятков метров) и характеризуются биотурбацией и минералогическими изменениями в осадках, с небольшим уплотнением. [22] Пирит может образовываться в бескислородной грязи на этой стадии диагенеза. [8] [23]
Более глубокое захоронение сопровождается мезогенезом , во время которого происходит большая часть уплотнения и литификации. По мере того, как осадки подвергаются все большему давлению со стороны вышележащих осадков, зерна осадка перемещаются в более компактные расположения, пластичные зерна (такие как зерна глинистых минералов ) деформируются, а поровое пространство уменьшается. [24] В дополнение к этому физическому уплотнению может происходить химическое уплотнение посредством растворения 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. [21]
Именно во время уплотнения сланец развивает свою трещиноватость, вероятно, посредством механического уплотнения исходного открытого каркаса частиц глины. Частицы становятся сильно ориентированными в параллельные слои, которые придают сланцу его отличительную структуру. [25] Трещиноватость, вероятно, развивается на ранней стадии процесса уплотнения, на относительно небольшой глубине, поскольку трещиноватость, по-видимому, не меняется с глубиной в толстых пластах. [26] Каолинитовые чешуйки имеют меньшую тенденцию к выравниванию в параллельных слоях, чем другие глины, поэтому богатая каолинитом глина с большей вероятностью образует нерасщепляющийся аргиллит, чем сланец. С другой стороны, черные сланцы часто имеют очень выраженную трещиноватость ( бумажные сланцы ) из-за связывания молекул углеводородов с гранями частиц глины, что ослабляет связь между частицами. [27]
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. Глинистые минералы также могут быть изменены. Например, смектит изменяется в иллит при температурах около 55–200 °C (130–390 °F), выделяя в процессе воду. [8] Другие реакции изменения включают изменение смектита в хлорит и каолинита в иллит при температурах от 120 до 150 °C (250–300 °F). [8] Из-за этих реакций иллит составляет 80% докембрийских сланцев по сравнению с примерно 25% молодых сланцев. [28]
Освобождение погребенного сланца сопровождается телогенезом , третьей и последней стадией диагенеза. [22] Поскольку эрозия уменьшает глубину захоронения, возобновленное воздействие метеорной воды приводит к дополнительным изменениям в сланце, таким как растворение части цемента с образованием вторичной пористости . Пирит может окисляться с образованием гипса . [21]
Черные сланцы темные, так как они особенно богаты неокисленным углеродом . Черные сланцы, распространенные в некоторых палеозойских и мезозойских слоях , отлагались в бескислородных , восстановительных средах, таких как стоячие водные столбы. [8] Некоторые черные сланцы содержат большое количество тяжелых металлов, таких как молибден , уран , ванадий и цинк . [8] [29] [30] [31] Обогащенные значения имеют спорное происхождение, поскольку их альтернативно приписывают поступлению гидротермальных жидкостей во время или после седиментации или медленному накоплению из морской воды в течение длительных периодов седиментации. [30] [32] [33]
На поверхностях сланцевых пластов иногда сохраняются окаменелости , следы животных или норы и даже отпечатки капель дождя . Сланцы также могут содержать конкреции, состоящие из пирита, апатита или различных карбонатных минералов. [34]
Сланцы, которые подвергаются воздействию тепла и давления метаморфизма, превращаются в твердую, расщепляющуюся метаморфическую породу , известную как сланец . С постоянным увеличением степени метаморфизма последовательность такова: филлит , затем сланец и, наконец, гнейс . [35]
Сланец является наиболее распространенной исходной породой для углеводородов ( природный газ и нефть ). [8] Отсутствие грубых осадков в большинстве сланцевых пластов отражает отсутствие сильных течений в водах осадочного бассейна. Они могли насыщать воду кислородом и разрушать органическое вещество до того, как оно могло накопиться. Отсутствие карбонатной породы в сланцевых пластах отражает отсутствие организмов, которые могли бы выделять карбонатные скелеты, также, вероятно, из-за бескислородной среды. В результате около 95% органического вещества в осадочных породах находится в сланцах и других грязевых породах. Отдельные сланцевые пласты обычно имеют содержание органического вещества около 1%, но самые богатые исходные породы могут содержать до 40% органического вещества. [36]
Органическое вещество в сланце со временем преобразуется из исходных белков, полисахаридов , липидов и других органических молекул в кероген , который при более высоких температурах, обнаруженных на больших глубинах залегания, далее преобразуется в графит и нефть. [37]
До середины 19 века термины сланец , сланец и кристаллический аспидный кристалл не были четко разграничены. [38] В контексте подземной добычи угля сланец часто называли сланцем вплоть до 20 века. [39] Черный сланец, связанный с угольными пластами, называют черным металлом. [40]
Медиа, связанные с Shale на Wikimedia Commons
