Полевошпатовые песчаники и аркозы

Определения. Термин полевошпатовый песчаник относится только к тем песчаникам, в которых существенную часть обломочного материала составляют полевые шпаты, обычно они содержатся в таком количестве, что легко определяются невооруженным глазом. Термин аркоз обозначает специфический класс полевошпатовых песчаников. Это старый термин, происхождение которого точно не установлено; его приписывают Броньяру, который написал одну из первых работ по аркозам и их геологическому значению. Первоначальный смысл этого термина изменился очень мало. Это грубозернистый и угловатый песчаник, в большинстве случаев средней сортированности, состоящий главным образом из кварца и полевых шпатов и предположительно образующийся при разрушении гранитов и пород сходных с ними по составу. Обычно преобладающим минералом служит кварц, однако в некоторых аркозах преобладают полевые шпаты Другие компоненты имеют подчиненное значение.

Аркоз. Общего мнения о минимальном содержании полевых шпатов в породе, необходимом, чтобы она оставалась аркозом, не существует. Аллен определяет нижнюю границу в 25%; Крынин некогда определил ее в 30%, но позднее предложил 25%. Петтиджон принял за нижний предел 25% и предложил относить термин полевошпатовый песчаник к песчаникам, содержащим в обломочной фракции 10—25% полевых шпатов. Для этой группы песчаников в настоящее время общепринятым считается термин субаркоз. Новое определение аркозу дано Петтиджоном, как песчанику, характеризующемуся наличием 25% неустойчивых компонентов (полевых шпатов и обломков пород), из которых на долю полевых шпатов приходится не менее половины. При таком определении аркозы могут содержать всего лишь 12,5% полевых шпатов.

Вышеприведенное определение аркоза не позволяет разграничить истинные аркозы и полевошпатовые граувакки, которые иногда содержат 25% полевых шпатов и более. Граувакки, по определению, характеризуются значительным содержанием матрикса, в то время как нормальные аркозы содержат осажденный минеральный цемент, часто кальцитовый. Ho некоторые аркозы содержат также поровые глины. Как провести границу между ними и полевошпатовыми граувакками? В целом аркозы фактически образуются при разрушении гранитных пород, они обогащены калиевыми полевыми шпатами, в то время как для граувакк характерны натриевые полевые шпаты. В отличие от аркозов, граувакки содержат многочисленные и разнообразные обломки пород различного происхождения. Кроме того, в целом матрикс граувакк хлоритовый, тогда как поровые глины аркозовых вакк преимущественно каолинитовые и обычно из-за железистого пигмента красноцветные. Различия в составе часто сопровождаются отличиями в характере залегания и в особенностях внутреннего строения или текстуры. Соотношение нескольких основных типов песков показаны на диаграмме (рис. 7-7).

Структура и состав. Аркоз — типичная грубозернистая порода, состоящая главным образом из кварца и полевых шпатов (см. рис. 7-9). Она бывает розовой или красноватой, цвет породе придают полевые шпаты или, в отдельных случаях, красные глины матрикса. Некоторые аркозы образуются из гранитных и гнейсовых пород, содержащих серые или белые полевые шпаты, в этом случае они сами имеют серовато-белую окраску, если только не присутствуют красные железистые вещества.

Преобладающим минералом аркозов является кварц, хотя, как исключение, им может быть полевой шпат. В грубозернистых разностях большая часть кварца является поликристаллической, некоторые сложные зерна состоят из полевого шпата и кварца. Обычно зерна слабо-окатанные. За редким исключением, полевые шпаты представлены микроклином. Его зерна бывают либо совсем свежими, либо заметно выветрелыми (каолинизированными), либо образуют смесь этих типов. В аркозах, сцементированных кальцитом, полевые шпаты характеризуются различной степенью замещения: от простой коррозии граней до полного замещения. В других аркозах наблюдается регенерация полевых шпатов, т. е. нарастание прозрачного несдвойникового полевого шпата на обломочное ядро. Для аркозов характерны крупные обломки слюды, как мусковита, так и биотита (в том числе хлоритизированного биотита). Чешуи слюды залегают параллельно плоскости напластования. Обычно они изогнуты или деформированы в результате давления прилегающих зерен. Биотит может быть хлоритизирован или окислен. Аркозовые песчаники, образовавшиеся из нескольких источников питания, могут содержать обломки пород и постепенно переходить в грубозернистые лититовые арениты.

Наиболее распространенным цементом молодых аркозов является кальцит. В некоторых древних аркозовых песчаниках отмечается регенерация как полевошпатовых зерен, так и кварцевых. Значительная степень такого разрастания приводит к образованию очень плотной породы, по внешнему виду напоминающей гранито-гнейсы, за которые они могут быть ошибочно приняты. В некоторых аркозах осажденный минеральный цемент отсутствует, вместо него они содержат каолинитовый глинистый матрикс, часто красноцветный из-за пигментации окислами железа. Это — редстоун Крынина.

Модальные анализы аркозов приведены в табл. 7-4, химические анализы показаны в табл. 7-5.

Валовый химический состав аркоза отражает их минеральный состав. У аркозов, состоящих преимущественно из кварца и полевых шпатов, преобладают SiO2, Al2O3 и K2O. При кальцитовой цементации существенными компонентами становятся CaO и CO2. Типичный аркоз отличается от кварцевого аренита (ортокварцита) более низким содержанием SiO2 и более высоким — Al2O3 и К2О, от граувакки его отличает обогащенность К2О и малое содержание Na2O. Это видно на рис. 7-8.

В отличие от аркозов, граувакки обогащены MgO и железом (часто FeO).

Разновидности и характер распространения. Аркозы встречаются либо в виде маломощного плащеобразного остаточного покрытия в основании осадочной серии, перекрывающей гранитный фундамент, либо в виде очень мощных клиноподобных осадочных тел, переслаивающихся с более грубозернистыми конгломератами, содержащими граниты и в меньшем количестве красноцветные алевролиты и глинистые сланцы.

Базальные аркозы из-за малой мощности и несплошного залегания редко образуют тела большого объема. Вверх по разрезу они могут быстро переходить в обычные пески с невысоким содержанием полевых шпатов. Известным примером служит нижняя часть кембрийского песчаника Ламотт плато Озарк в штате Миссури, где эта толща залегает на докембрийских гранитах. Базальный аркоз представляет собой слегка переработанный остаточный полевошпатовый продукт выветривания. Переработку аркозового покрова вызвало вторжение моря на территорию распространения гранитных пород. Переработанный и лишенный разрушенных и тонких фракций полевошпатовый остаток после консолидации может быть назван (в зависимости от содержания полевых шпатов) аркозом или субаркозом. Такой материал приурочен к основанию серии или к языкообразным гранитным развалам, образовавшимся в результате разрушения близрасположенных погребенных гранитных структур. В некоторых случаях такой остаток характеризуется столь малой переработанностью и слабой степенью разложения, что после литификации порода выглядит как естественный гранит. В этом случае она называется восстановленным, или преобразованным гранитом. Такие породы в полевых условиях (в небольших обнажениях, а также в шламе или керне при бурении) могут быть неправильно определены. При бурении нередко трудно решить, достигнут ли гранитный «фундамент» или вошло ли бурильное долото в породы гранитного развала. Даже в обнажениях, в частности в некоторых выходах докембрия, где породы в результате метаморфизма стали сливными, возникают противоречивые мнения в отношении того, чем в действительности является метааркоз: аркозовым осадком, гранитом или гранитизированным образованием.

Контакт гранитов и перекрывающих их остаточных аркозов может быть постепенным, такой случай при истинно осадочном их происхождении описывается как «градационное несогласие». Примером служит контакт архейских аркозов с гранитами оз. Caланага на границе провинции Онтарио и Миннесоты, описанный Грантом и Клементом.

Критерии, по которым можно отличать настоящие граниты от восстановленных эквивалентов, многочисленны, но обычно трудноприменимы. Настоящий гранит может иметь слабовыраженную гнейсовую листоватость, которая теряется при полном механическом разрушении и даже незначительной переработке. Кроме того, истинные граниты рассечены аплитовыми и другими сопряженными дайками. Восстановленные граниты при тщательном исследовании обнажения обычно содержат обломки или гальку гранитов или слабовыраженную слоистость. Под микроскопом в восстановленном граните отмечается необычно широкий диапазон размеров зерен. Это свойство восстановленного гранита находится в резком контрасте с равнозернистой природой гранита или с порфировой структурой некоторых интрузивных пород. Аркозы, претерпевшие лишь незначительную транспортировку или не подвергшиеся переносу совсем, — остаточные аркозы — являются, по существу, несортированными и обычно содержат обогащенный глиной матрикс, часто красноцветный; он может составлять 20% и более объема породы (рис. 7-9). К этим аркозовым ваккам применяется термин редстоун. Восстановленная порода содержит больше кварца, чем обычный гранит. Возможна также легкая окатанность полевых шпатов (их можно ошибочно принять за резорбированные фенокристаллы). Шлам при проходке скважин не позволяет использовать много критериев, в этом случае полезными могут быть такие признаки, как легкая окатанность и повышенное содержание в осадке кварца.

Аркозовые осадки могут также быть связанными с гранитными выступами. Аркозы, приуроченные к таким воздымающимся и разрушающимся гранитным плутонам, образуют мощные конусообразные скопления, обычно весьма грубозернистые, часто с конгломератами. Широко известными примерами аркозов этого типа служат аркозовые отложения Нью-Хейвен, Портленда и другие аркозы серии Ньюарк (триас) в Коннектикуте и соседних восточных штатах, аркозовые слои пенсильванских формаций Лайонс и Фаунтин Передового хребта Колорадо, древний красный песчаник Шотландии и части разреза третичной молассы юга ФРГ и Швейцарии. Такой аркоз показан на рис. 7-10. Аркозы для подвижных поясов нетипичны, в этом случае они содержат натриевый, а не калиевый полевой шпат. Это отмечено для некоторых архейских аркозов и для широкоизвестных аркозов Суок (палеоцен) в штате Вашингтон. Более полное перечисление аркозовых отложений всех возрастов и типов содержится в классическом исследовании Бартона.

Территория щитов сложена преимущественно гранитами и поэтому потенциально является крупнейшим источником аркозового песка. К аркозам, бесспорно связанным с областями щитов, относятся позднедокембрийские иотнийские песчаники Финляндии и Швеции, спарагмиты Норвегии и Швеции, раннемеловые (предаптские) пески Западной Венесуэлы, снесенные с Гайанского щита, докембрийская свита Казан группы Дибаунт Северо-Западных территорий Канады, нижняя часть гуронских кварцитов Лоррен в Онтарио.

Происхождение и геологическое значение. Результаты полевых наблюдений и минеральный состав определенно указывают на тесную связь аркозов с областями питания, где развиты граниты. Распространение аркозовых песчаников ограничено локальными бассейнами или участками, где происходило накопление всего обломочного материала, воздымавшегося и подвергавшегося денудации гранитного блока, а также территорией, прилегающей к гранитному щиту.

Обширные водосборные бассейны петрографически разнообразны, и в них не происходит накопления аркозовых песков. Пески крупных рек, хотя и могут содержать несколько повышенное количество полевых шпатов, аркозами не являются; обычно это — лититовые пески. Следовательно, аркозы имеют ограниченное распространение как в пространстве, так и в вертикальном геологическом разрезе.

Однако обогащенные кварцем пески, кварцевые арениты также имеют области питания, связанные с гранитами. Действительно, практически весь кварц песчаников образовался, в конечном итоге, из кварцсодержащих плутонических пород — «гранитов» в очень широком и свободном смысле этого слова. Однако почему одни песчаники характеризуются высоким содержанием полевых шпатов, а другие — нет?

Значение обломочных полевых шпатов достаточно противоречиво. Присутствие большого количества полевых шпатов в некоторых песчаниках (аркозах) привело к созданию и широкому распространению теории о том, что для обеспечения сохранности и накопления полевых шпатов в осадке требуются специфические климатические условия, препятствующие их разложению. В соответствии с теорией постулировалась необходимость очень сухого климата (отсутствие воды, обусловливающее задержку химического разложения) или очень холодного климата (значительное замедление химических реакций). К настоящему времени накоплено достаточное количество доказательств, вызывающих необходимость изменения теории сурового климата. Крынин наблюдал образование аркозов в условиях влажного тропического климата, где средняя годовая температура составляет 26°С, а годовое количество осадков 300 см. Накопление полевых шпатов в таких условиях — не единственное доказательство; данные, опровергающие связь полевых шпатов с суровыми климатическими условиями, получены в процессе критического изучения древних полевошпатовых отложений. Например, Рид заметил, что в эоценовых песчаниках Калифорнии, содержащих почти 50% полевых шпатов, найдены остатки флоры, которая могла существовать только в теплых гумидных условиях. Песчаники Катахула в Техасе, также предположительно эоценового возраста, содержат прибрежные тропические растения, хотя концентрация в них полевых шпатов приближается к 50%. Как отмечено Бартоном, аркозовые песчаники, образовавшиеся в гумидных условиях, характеризуются высоким содержанием выветрелых или частично выветрелых полевых шпатов. Смешение исключительно свежих зерен полевых шпатов с несколько помутненными и измененными зернами в одном осадке можно объяснить быстрой эрозией глубоко изрезанных нагорий, сложенных содержащими полевые шпаты породами, в условиях теплого климата. Аркозы, образовавшиеся в суровых климатических условиях, практически не содержат выветрелых полевых шпатов.

Если содержание полевых шпатов не зависит от климата, в чем тогда их значение? Для выветривания полевых шпатов требуется не только подходящая климатическая обстановка, но также достаточное время. Интенсивность процесса разложения обусловливается климатом, однако продолжительность этого процесса определяется рельефом. Районы с высоким рельефом претерпевают быструю эрозию, поэтому полевые шпаты не успевают разрушиться и включаются в процесс осадконакопления. В условиях низкого рельефа эрозия происходит медленно, и при соответствующей климатической обстановке полевые шпаты могут полностью разрушиться. Следовательно, присутствие или отсутствие полевых шпатов является результатом равновесия между скоростью выветривания и скоростью эрозии. Таким образом, аркозы являются показателем как сурового климата, так и тектонической активности. Одно лишь присутствие полевых шпатов не может свидетельствовать в пользу того или иного фактора, для решения этого вопроса следует привлекать другие критерии.