Arkoza to skała średniookruchowa zasobna w skalenie. Te które mają dużo składników litycznych (fragmentów skał) to szarogłazy (szarowaka). Oprócz składników ziarnowych mówimy o lepiszczu (cemencie). Ten element też ma istotną rolę w skałach okruchowych. Może być żelazisto-ilaste, węglanowe, siarczanowe, kombinacje, spoiwo krzemionkowe – wtedy skała ma bardzo zwarty i twardy charakter, niemal jak kwarcyt.
Składają się ze składników o średnicy poniżej 0,063 mm. Jeżeli chodzi o skład różnią się tym, że duży w nich udział mają zazwyczaj składniki ilaste, jako składniki pierwotne. Gdybyśmy chcieli arbitralnie rozdzielić możemy powiedzieć, że decyduje 50% zawartości, ale przyroda nie zawsze daje nam możliwości takiego bardzo wyraźnego rozdziału. Jeśli składniki okruchowe stanowią przewagę nad ilastymi, wtedy mówimy o pyłowcach. Jeśli natomiast osad jest luźny to mamy pył. Jeśli składników ilastych jest 20-40% mówimy o mułach i mułowcach. Różnica między pyłem i mułem polega na zawartości składników ilastych. Otóż są propozycje że jeśli co najmniej 30% jest ilastych mówimy o mułowcach, jeśli poniżej to pyłowiec. Nie jest tak dokładna ocena łatwa pod szlifem mikroskopowym.
Jeśli wielkości ziaren tworzących muły i pyły są wystarczająco duże, to możemy stosować dokładnie tę samą klasyfikację co w ziarnach okruchowych i wyodrębniać odmiany kwarcowe, lityczne i arkozowe. Jest to możliwe gdy zbliżają się one do wartości 0,063 mm. Jeśli tak nie jest, musimy opierać się na metodach sitowych i areometrycznych.
Skały drobnookruchowe wypełniają wszystkie środowiska o niskiej energii. Do transportu piasku wymagana jest już duża energia. Dwie trzecie globu ziemskiego pokrywają środowiska wodne, w większości niskoenergetyczne, a zatem skały drobnookruchowe mają na świecie przewagę.
Szczególnym przypadkiem skały drobnookruchowej jest less, często występujący w naszej strefie. Lessy zbudowane są głównie z ziaren kwarcu i skaleni, stanowiących 60 do 70% składników. Poważny udział w lessach mają także węglany, a na czwartym miejscu należałoby umieścić minerały ilaste. Lessy są szczególnie charakterystyczne dla klimatu umiarkowanego. Powstają dzięki działalności wiatru. Są więc utworami o genezie eolicznej. Często, tworząc kilkudziesięciometrowe zespoły, nie ujawniają wyraźnego warstwowania, a na dodatek dzięki specyficznej budowie potrafią tworzyć formy o bardzo wysokich skarpach. Dzieje się to dzięki siłom kohezji nadanym przez wodę porową. Przykłady takich utworów znajdujemy w Polsce na wyżynie Lubelskiej. Najbardziej znanym światowym przykładem są ogromne nagromadzenia lessów w Chinach.
Mamy cztery etapy tworzenia się lessów:
Pierwszy to działalność transportująca i erodująca lodowca (utworzenie pyłów).
Drugi to utworzenie się moreny dennej,
Trzeci etap to wywiewanie przez wiatry – mają dużą energię i wieją przez długi czas w tym samym kierunku. Tworzenie się dużych i pojemnych chmur tych osadów i ich przetransportowanie na odległość nawet kilku tysięcy kilometrów.
Czwarty warunek to depozycja najlepiej w śródlądowych zbiornikach wodnych o niskiej energii, lub co najmniej w klimacie silnie wilgotnym, depozycja długotrwała, w zagłębieniach jeziornych, obniżeniach terenu. Woda wyzwala siły kohezji między składnikami, utrzymując je w równowadze.
Dużą część składu stanowią węglany. Dzieje się tak, ponieważ utwory glacjalne są również zasobne w węglany (gliny zwałowe). Węglany zawarte w lessie rozpuszczają się w środowisku wodnym, tworząc potem konkrecje zwane lalkami lessowymi.
Badacze lessów wskazują że ważne dla określenia pochodzenia lessów są minerały ciężkie o ciężarze powyżej 3 g/cm3. Ich zawartość wynosi zaledwie 0,2- 0,5 %, ale ich asocjacje wskazują na pochodzenie osadu. W ogóle jest to ciekawe zagadnienie, także w Polsce, gdzie może np. służyć rozdzieleniu utworów trzeciorzędowych od czwartorzędowych.
Osady czwartorzędowe zawdzięczają swą genezę lodowcom. Zlodowacenia doprowadziły do tego, że na teren speneplenizowany i wyrównany przyniesiony został materiał z północy. W ostatnim tygodniku „Polityka” przedstawiono rozterki uczonych w XVIII wieku, którzy się zastanawiali z jakiej przyczyny na całym niżu mieliśmy miękkie utwory i nagle w tym duże bloki skał nie mające związku z otoczeniem (takie widać np. w naszym lapidarium). Zastanawiano się, co to spowodowało. Dopiero obserwacje lodowców górskich, szczególnie alpejskich, pod koniec XIX w. wyjaśniły kwestie W tych rozważaniach jednymi z kluczowych były trafne spostrzeżenia Staszica, który zaobserwował, że lodowce mogą przenosić nawet duże bloki skalne. Nikomu wtedy do głowy nie przychodziło, że mógł być tak duży obszar od Francji aż po Ural zlodowacony.
Dopiero pogłębienie tych badań wraz z wynikami badań osadów morskich spowodowało, że odkryto coś co było wcześniej mało prawdopodobne – zmiany klimatyczne na Ziemi. Mówimy że jesteśmy teraz w ociepleniu, ale jest to drobny epizod. Prawdopodobnie dłuższy trend to ochłodzenie. Stwierdzono bowiem, że są glacjały i interglacjały. Choć jesteśmy teraz w interglacjale, to będziemy zmierzać do glacjału. Są poglądy że ziemia co najmniej 4 razy w historii była śnieżną kulą, to znaczy 4 razy była zamarznięta i życie (na Ziemi od 3,9 mld) przetrwało tylko dlatego, że gdzieś pod tą pokrywą była woda. W wierceniu na Grenlandii przewiercono 3 kilometrową pokrywę lodową i uznano że w czwartorzędzie były nie cztery, ale aż 24 wielkie zmiany. Jesteśmy dopiero na początku badań geologicznych i geofizycznych. Zmiany klimatyczne mają duży wpływ na to co się na globie dzieje. Poziom oceanu światowego podniósł się o 100 m w stosunku do poziomu sprzed 8 - 10 tys. lat. Jakie to miało kolosalne znaczenie dla życia na Ziemi. Jawa, Borneo, Sumatra stanowiły kiedyś część półwyspu Indochińskiego. Gdyby teraz poziom morza wzrósł o 50 m, to w Poznaniu mielibyśmy poziom morza Bałtyckiego, bo na takiej wysokości płynie Warta. Z punktu widzenia rozwoju cywilizacji może mieć to kolosalne znaczenie. Wiercenia na morzu Południowochińskim ujawniały na głębokości 120 – 150 m ślady działalności człowieka (ślady ognia itp.) Zmiany te zachodziły stosunkowo szybko, nawet w ciągu 50 -100 lat o 10°C. W tym kontekście ocieplenie o 0,5 °C w ciągu 30 lat wydaje się dużo mniej istotne, niż twierdzą ekolodzy.
Materiał pochodzi ze zjawisk magmowych, ale powstaje w procesach depozycji. Wśród produktów działalności wulkanicznej są również tak zwane luźne produkty działalności. Mamy lawę, gazy, wody, ale również pewną część stanowią produkty, które są elementami luźnymi, czyli okruchami. I stąd mówimy o nich przy skałach okruchowych.
Przyjęto podział ze względu na wielkość. Największe o rozmiarze ponad 64 -65 mm to bloki i bomby wulkaniczne. Drugą grupę między dwa a 64 mm to lapilli. Poniżej 2 mm mamy popiół. Tak można podzielić je z punktu widzenia wielkości.
Drugie kryterium to cechy litologiczne czy też petrograficzne tych luźnych składników. Mogą to być fragmenty skał – litoklasty. Mogą to być szkliwa – witroklasty. Mogą to być fragmenty pojedynczych kryształów – krystaloklasty.
Utwory które składają się z bloków będą określane jako brekcje wulkaniczne mogą być one złożone lito-, witro- i krystaloklastów (choć te rzadziej). Skały utworzone z lapilli to lapillity. Lapilli to fragmenty lawy wyrzucone wysoko w powietrze w czasie ruchu wznoszącego i opadającego uzyskują spiralną i wrzecionowatą formę ponieważ kręcą się w powietrzu. Skała z popiołów to tuf. W pobliżu wulkanu brekcje, potem lapillity, a potem tufy.
Obserwowano że przy wybuchu wulkanu chmury pyłu wulkanicznego okrążały kilka razy kulę ziemską zanim opadły. Możemy zatem przypuszczać że ten popiół jest wkomponowany w normalną sedymentację w rzece, jeziorze i morzu. Tworzą się więc osady mieszane ze składnikami wulkanicznymi (wulkanoklasty) i epigenetycznymi (z powierzchni Ziemi, epiklasty). Zaproponowano następujący podział ze względu na zawartość piroklastów:
| Tuf |
|
|---|---|
| Tufit | 50-90% |
| Osad tufonośny | < 50% |
Jest to ogólnie przyjęta klasyfikacja dla skał mieszanych.
W skałach grubo okruchowych mamy gruzy i brekcje i żwiry oraz zlepieńce. Żwir ma znamiona obtoczenia, gruz jest nie obtoczony. Wśród średniookruchowych wyróżnia się piaski i piaskowce. Mamy tam waki i arenity. Z punktu widzenia składu odmiany kwarcowe, arkozowe i lityczne (szarogłazowe). Drobnookruchowe – pyły mało minerałów ilastych i muły – ponad 30% minerałów ilastych. Skały piroklastyczne z epigenetycznymi dzielą się tufy, tufity i osady tufonośne.
Jest to osad jednakowego czasu. Nawet jeśli leci dookoła ziemi trwa to i tak tylko rok. Są to osady niesłychanie przydatne dla korelacji poziomów stratygraficznych. Przeprowadzono badania w złożach węgla brunatnego w Bełchatowie. Mamy zespół warstw a wśród nich część jest warstwami węgla brunatnego. Rozpoznawane są wierceniami. Wyobraźmy sobie, że mamy pewne wiercenia i jedno z nich natrafiło na warstwę, której nie potrafimy dobrze dopasować do innych. Wierceń nie możemy wykonywać za dużo bo jest to znaczny koszt. Przyjmuje się przy węglu brunatnym wiercenia co 400 metrów, a dalszą część rozpoznaje się już w czasie eksploatacji. W rdzeniach tych znaleziono kilka lub 20-30 cm warstewki przeobrażonych tufów (przeobrażone tufy zasobne w materiał piroklastyczny w środowisku kwaśnym - tam gdzie tworzy się węgiel brunatny) znaleziono kaolinit. Znaleziono je w różnych rdzeniach. Okazało się że jest to tomstein (skała ilasta) i można przyjąć te utwory piroklastyczne za efekt wydarzenia jednego czasu. Świetnie to zdało egzamin. Na Górnym Śląsku gdzie pokłady są do 1200 metrów, takich wkładek węglowych jest 24, do tego dochodzą uskoki, trudno się zorientować który to pokład. Ale tufy pomagają.
Drugi etap rozwoju skał osadowych to diageneza. Pod pojęciem diagenezy rozumiemy te wszystkie przeobrażenia, które zachodzą w osadzie między jego depozycją a metamorfozą. Żeby sprecyzować to jeszcze dokładniej, wyłączymy z tych rozważań coś co się nazywa wietrzeniem. Możemy zatem z pewnym uproszczeniem mówić o agradacji, a wietrzenie jest degradacją. To zastrzeżenie poczyniono tylko na wszelki wypadek.
Co to znaczy między depozycją a metamorfozą? Depozycja kończy się wówczas kiedy ziarno zostanie zdeponowane – znajdzie swoje miejsce w środowisku depozycji, zostanie osadzone. Możemy tak powiedzieć także o całym zespole ziarn. Gdybyśmy sobie wykreślili taką linię diagenezy, na jej początku byłaby depozycja a na końcu metamorfoza. Ziarno osad zostało zdeponowane – to depozycja.
Ale jak rozpoznać metamorfozę? Są pewne minerały, które są zwiastunami metamorfozy – np. grafit powstający z antracytu. Ale nie zawsze antracyt jest. Drugim minerałem jest laumontyt – jeden z minerałów ilastych. Jest bardzo częsty gdy mamy składniki piroklastyczne. Dobrze jest metamorfozę charakteryzować całym zespołem cech:
O zmianach metamorficznych mówimy gdy zaznaczy się utrata składu typowego dla skał okruchowych, a w tym zanik koloidów. Koloidy są bardzo rozpowszechnione w skałach okruchowych.
Utrata typowych cech detrytycznych – kształt ziarna. Jest on nieco zmieniony,
Masowa rekrystalizacja składników.
Przy metamorfozie postępuje oddzielność - składniki układają się równolegle do siebie.
Wyraźne zmniejszenie objętości, potem w metamorfozie zmniejszenie już nie następuje, jest co najwyżej minimalne. Metamorfoza zaczyna się zatem od pozycji, gdzie następuje takie upakowanie osadów, że dalsze już nie może nastąpić.
Eksperymentalnie wyznaczono że początek metamorfozy to temperatura około 220°C. Aby osiągnąć takie ciśnienie które gwarantuje zmniejszenie objętości porowej i temperaturę tego rzędu, jest osiągalne na głębokości 6000 -8000 m, w naszej szerokości geograficznej, przy stopniu geotermicznym około 30 metrów.
Jaki jest czas trwania przeobrażeń diagenetycznych. Bardzo różnie, zależnie od sytuacji geologicznej, znane są utwory kambryjskie np. w zagłębiu moskiewskim gdzie mamy kambryjskie węgle brunatne. Daleko im do węgli kamiennych, a jeszcze daje do grafitu. Znane są też przypadki gdzie dochodzi do metamorfozy utworów nawet trzeciorzędowych które w wyniku zjawisk tektonicznych poddane zostały wysokiemu ciśnieniu, które spowodowało zmiany metamorficzne. Ten długi okres czasu najczęściej dzieli się na okres wczesnej diagenezy i okres późnej diagenezy. Granica jest dość płynna.
Zaproponowano tez inne podziały. Np. German Muller w 1967 wyodrębnił trzy stadia diagenezy:
Bez przykrycia osadami.
Przy przykryciu w miarę cienką warstwą młodszych osadów (rząd setek metrów)
Przy przykryciu grubą pokrywą osadów młodszych (rząd kilometrów)
Nieco szczegółowiej wyodrębnił to Deppples (1967).
Stadium redoksomorficzne. Zachodzą procesy utleniania i redukcji
Stadium pośrednie – dominują procesy zastępowania minerałów niestabilnych (opal, chalcedon) stabilnymi (kwarc). Niestabilny jest aragonit i magnezowy kalcyt, protodolomit a stabilne dolomit i kalcyt
Stadium fyllomorficzne – pojawiają się już autogeniczne1 minerały, których dotąd nie było – miki, skalenie.
Ważnym pojęciem jest lityfikacja osadu. Jest to pojęcie, które obejmuje część przeobrażeń diagenetycznych. Jest to przejście luźnego osadu w skałę zwięzłą, zwartą. Takie coś jest najczęściej wynikiem pojawienia się cementu czyli spoiwa. Nie jest zatem równoznaczne z diagenezą, bo nie wymaga wcale zmian mineralogicznych.
Są całe podręczniki opisujące wczesną i późną diagenezę skał węglanowych. Mówimy, że w czasie diagenezy zachodzą zmiany w osadzie. Zmiany te można podzielić na dwa zasadnicze typy. Będziemy odróżniać zmiany o cechach geometrycznych oraz mineralogiczno-chemicznych.
Zmiany geometryczne polegają na uzyskiwaniu wyższego stopnia upakowania składników osadu. Zbliżają się one do siebie. Ze struktury silnie porowatej przechodzą w taką kiedy są bliżej siebie. Wyraźnie zmniejsza się objętość osadu. Osad ilasty chaotyczny przechodzi w osad, gdzie większość składników ułożona jest prostopadle do kierunków nacisków. W przypadku kiedy mamy do czynienia z ziarnami kwarcu (inne też, ale kwarc najczęściej), gdy dochodzi do tego, że dwa ziarna kwarcu się o siebie opierają, może nastąpić zjawisko rozpuszczania pod ciśnieniem. Wtedy dwa ziarna kwarcu kontaktują się poprzez szew suturowy. Widać to czasami w ziarnach kwarcu. Takim przypadkiem są stylolity. To jest właśnie nic innego jak przeobrażenia diagenetyczne. Są minerały bardziej podatne na rozpuszczanie pod ciśnieniem, a inne mniej. Łyszczyki nie są podatne, prędzej się powyginają.
Druga grupa to zmiany mineralogiczno – chemiczne. Do nich należy powstawanie nowych faz mineralnych oraz wypieranie jednych minerałów przez inne minerały. Te dwa procesy zazębiają się ze sobą.
Nowe minerały mogą powstawać z roztworów wodnych znajdujących się w przestrzeniach porowych. Po drugie mogą się tworzyć nowe minerały z rozpuszczania pierwotnych składników –np. organicznych – węglanów. Na przykład wchodzą w skład wód porowych i potem krystalizują jako nowe składniki. Mogą powstawać poprzez przeobrażenia niestabilnych składników pierwotnych. Dalej (dotyczy ilastych głównie) – mogą poprzez przebudowę struktury wewnętrznej minerałów. Minerały ilaste są zbudowane z warstw czy pakietów o określonych cechach. Na jeden pakiet tetraedryczny z wody i tlenu może przypadać np. jeden pakiet z krzemu (1:1). Może się zdarzyć że powstanie inna struktura np. 1:2, bez udziału roztworu. Uzupełnieniem jest powstawanie konkrecji, wypełnianie szczelin i wolnych przestrzeni w osadzie, np. wolna przestrzeń po rozpuszczeniu składnika organicznego. Zastępowanie składników organicznych minerałami (daleko posunięta sylifikacja prowadzi np. do spetryfikowania pnia drzewa).
Do wszystkich przeobrażeń mineralogicznych zaliczamy też oczywiście cementacje (pojawiania się spoiwa). Jest to bardzo spektakularny proces diagenetyczny powodujący powstawanie nowych faz mineralnych.
Przeobrażenia metamorficzne to już zaawansowany etap przekształceń mineralnych – wykształcenie nowych tekstur itp.. Za tydzień diageneza w skałach okruchowych.
Powstające na miejscu↩