Кварцевые арениты (ортокварциты)
Определения. Все терригенные пески обогащены кварцем, только в немногих кварц не является преобладающим компонентом. Следовательно, почти все песчаники могут быть названы кварцевыми. Однако некоторые разновидности песков почти полностью сложены кварцем. Такие пески названы Тиежем ортокварцитами; этот термин популяризировал и более строго определил Крынин, который применял его к пескам, полностью сложенным кварцевыми зернами, сцементированными кремнеземом. В традиционном смысле истинные кварциты — это те породы, в которых при раскалывании трещины не обходят зерно, а рассекают его. Ho это осадочные кварциты — ортокварциты, а не метакварциты. Как отметил Крынин. многие из них содержат примесь карбонатного цемента как дополнительного конечного продукта; по мере увеличения количества этого несиликатного материала ортокварциты становятся менее сливными. Так как термин «ортокварцит» распространили и на эти менее сливные породы и даже на рыхлые или современные кварцевые пески, это порождает определенную путаницу и противоречия, поскольку отрицает давно сложившееся представление о кварците как об очень твердой, плотной породе. Поэтому были предложены другие термины — кварцевый аренит или кварцаренит. Хотя термин ортокварцит широко использовался на протяжении длительного времени, в современной литературе рекомендуется постепенно заменять его на кварцевый аренит.
Строение и состав. Под кварцевыми аренитами в этой работе подразумеваются пески, обломочная фракция которых на 95% или более состоит из кварца. Обычно они сцементированы кварцем, отложившимся одновременно с обломочным кварцем, так, что являются настоящими ортокварцитами (рис. 7-20). Ho иногда они сцементированы кальцитом или рыхлые и несцементированные совсем. Сцементированные кварцем разновидности, являясь истинными кварцитами и будучи устойчивыми к эрозии, слагают вершины высоких холмов, а при дислокациях формируют высокие гряды. Многие кварцевые арениты слагают относительно маломощные, но обширные по площади пласты, встречаются и мощные (иногда более 1000 м) толщи, как в некоторых докембрийских формациях. Для многих пород характерны знаки ряби и косая слоистость.
Кварц в ортокварцитах преимущественно монокристаллический, так как поликристаллические зерна менее устойчивы и в основном уничтожаются. По этим же причинам для таких песков характерно нормальное, а не волнистое погасание. Кварцевые зерна хорошо сортированы и превосходно окатаны. Поэтому многие из этих песков и в структурном отношении, и по составу отличаются наибольшей зрелостью. Другие компоненты весьма немногочисленны; могут встречаться хорошо окатанные зерна кремня или столь же устойчивые кварцитовые обломки. Фракция тяжелых минералов очень ограничена и представлена главным образом хорошо окатанными зернами турмалина и циркона, возможно, с некоторым количеством рутила и ильменита (или замещающего их лейкоксена).
Обычно цементом служит кремнезем. Как правило, это кварц, отложившийся оптически и кристаллографически единообразно с окатанными обломочными зернами кварца. В песках, не полностью заполненных цементом, обрастания образуют правильно оформленные грани кристаллов, отражающих свет таким образом, что порода на ярком свету сверкает. Регенерированные кристаллы кварца (см. рис. 7-20) ограничивают поры песчаника; во многих рыхлых песках видны хорошо оформленные пирамидальные верхушки кристаллов. Наблюдения показывают, что они приблизительно совпадают с длинными осями обломочных ядер. Конечным результатом процесса разрастания является сокращение порового пространства, смыкание каемок обрастания друг с другом, образование взаимопроникающей мозаики кварца, внутри которой можно различить по тонкой линии включений округлые очертания первичных обломочных зерен. В некоторых кварцевых аренитах это «пылевидное кольцо» почти не видно или полностью отсутствует. Оно хорошо заметно в том случае, если обломочные зерна имеют оболочки из окислов железа.
Для многих ортокварцитов характерны явления растворения под давлением, например, хорошо развитые стилолитовые швы, микростилолитовые контакты зерен, особенно между зернами кремня. Растворение под давлением способствует превращению кварцевого песка в кварцит. Этот процесс детально описан Сколником и воспроизведен экспериментально: рыхлый кварцевый песок подвергался воздействию высокого давления и повышенной температуры при наличии соответствующих поровых растворов. Однако исследования ортокварцитов методом люминесцентной микроскопии показывают, что во многих случаях, когда предполагалось растворение под давлением, мы наблюдаем не что иное, как конечную картину регенерации кварцевых зерен.
Некоторые кварцевые арениты сцементированы такими разновидностями кремнезема, как опал и халцедон. Они образуют оболочку на зернах. Халцедоновый цемент иногда проявляет микроволокнистую структуру, при этом волокна располагаются перпендикулярно к поверхности зерна. Опаловый цемент характерен лишь для очень молодых песчаников. В более древних он подвергся девитрификации и ныне стал халцедоновым.
Карбонатный цемент, кальцитовый или реже доломитовый, обычно присутствует в виде примеси в кварцевом цементе. Однако во многих случаях, особенно в молодых песчаниках, он может быть основным цементом. Обычно каждая пора заполнена (полностью или частично) одним кристаллом карбоната. В исключительных случаях карбонатные кристаллы крупные и охватывают несколько обломочных зерен. Они образуют так называемые песчаники с пятнистым блеском (рис 7-21). Как отмечено ниже, карбонатный цемент может внедряться в обломочные зерна кварца и корродировать их.
С появлением в составе полевых шпатов кварцевые арениты постепенно переходят в субаркозы или, при достаточно большом содержании обломков пород, в протокварциты (сублитарениты). Переходная порода характеризуется увеличением количества поликристаллических зерен кварца и менее совершенной их окатанностью.
Ортокварциты и близкие им песчаники редко содержат окаменелости. Хорошо сохранившиеся карбонатные раковины редки, если только они не сильно известковистые. Могут встречаться отдельные агрегаты кальцита; их присутствие объясняется растворением и повторным выпадением в осадок вещества раковин, Результат частичного растворения раковин, в частности их утонение, а также полная цементация песка кальцитом внутрираковины отмечены Крыниным.
Как можно видеть из табл. 7-10, кварцевые арениты и близкие к ним песчаники исключительно богаты SiO2; других окислов они могут содержать менее 1%. Эти песчаники представляют собой одно из самых крупных известных скоплений чистого кремнезема. Они являются промышленным источником кремнезема, а в случае низкого содержания железа из кварцевых аренитов изготовляют стекло. Песчаники с карбонатным цементом содержат значительные количества CaO и СО2, а иногда и MgO, при этом концентрация SiO2 соответственно уменьшается. Тонкозернистые разновидности и песчаники, приближающиеся к субаркозам и протокварцитам, содержат заметное количество Аl2O3 и K2O.
Распределение во времени и пространстве. Ортокварциты известны во многих местах, они имеют различный возраст, но в большинстве своем, по-видимому, приурочены к позднему докембрию и раннему палеозою. Древнейшие докембрийские толщи (архейские), вероятно, не содержат много ортокварцитов. Широко известны и детально описаны докембрийские толщи ортокварцитов Северной Америки: кварциты Сиу в Миннесоте, Айове и Южной Дакоте, кварциты Барабу и Ватерлоо в Висконсине, кварциты Стерджон в районе Меномини и кварциты Меснард в районе Маркетт в штате Мичиган, кварциты Палмc в районе Гогебик в Висконсине и Мичигане, кварциты верхней части формации Лоррен на северном берегу озера Гурон, Онтарио, формация Оджик близ залива Коронейшн на Северо-Западных территориях. Эти толщи имеют большую мощность, часто превышающую 1000 м, обычно им свойственны косая слоистость и знаки ряби. Прослои пелитовых отложений или редки, или отсутствуют. К этим породам относятся также песчаники Сибли группы Кивино в районе залива Тандер на побережье озера Верхнего и песчаники Хинкли в Миннесоте. Кварцевыми аренитами позднедокембрийского возраста сложена формация Атабаска в Северном Саскачеване, распространенная на площади 104 000 км2, а также близкая к ней по характеру и условиям залегания формация Телон на Северо-Западных территориях.
Нижнепалеозойские толщи Северной Америки изобилуют кварцевыми аренитами (рис. 7-20, 7-22, 7-23). В отличие от докембрийских пород, они гораздо хуже сцементированы, менее мощные, но имеют широкое площадное распространение. В верховьях долины Миссисипи развиты кембрийско-ордовикские кварцевые арениты. Они представлены кембрийскими песчаниками Дресбах, Франкония и Джордан и ордовикскими песчаниками Нью-Ричмонд и Сент-Питер. Кварцевыми аренитами сложены кембрийские формации Гейтсберг и Чиккиз и девонская формация Орискани в Центральных Аппалачах. Ортокварцитами являются также песчаники Тулин-Крик (ордовик) гор Арбакл в Оклахоме (см. рис. 7-23), песчаники Блейкли и Кристал-Маунтин в районе Уошито. На западе Соединенных Штатов кварцевые арениты представлены кварцитами Флэтхед (кембрий) в Вайоминге, кварцитами Юрика (ордовик) в Неваде и кварцитами Суон-Пик в Айдахо Примерами позднепалеозойских кварцевых аренитов служат песчаники Тенслип в Вайоминге и их фациальный аналог — формация Каспер и кварциты Уибер в Юте.
Кварцевыми аренитами являются также песчаники Дакота (мел). Великих равнин и некоторые близкие к ним маломощные третичные пески, например пески Коханси в Нью Джерси.
Примерами кварцевых аренитов в Европе служат песчаники Xapдеберга в Швеции, кварциты Малверн (кембрий) в Англии, песчаники Лаухавуори в Финляндии, некоторые песчаники мелового возраста, такие как песчаник Квадер в Гарце, а также третичные песчаники Фонтенбло во Франции.
Из перечисленных примеров становится ясно, что кварцевые арениты распространены очень широко (возможно, они составляют одну треть всех песчаников), что они имеют преимущественно позднедокембрийский и раннепалеозойский возраст (наиболее мощные толщи — докембрийские) и что они наиболее характерны для стабильных кратонных областей. Многие кварцевые арениты встречаются вместе с известняками и доломитами, в большинстве из них отсутствуют глинистые прослои. Хотя ортокварциты являются типичными для стабильных участков щитов, они иногда распространяются в пределы окраинных участков миогеосинклинальных поясов. Предполагается, однако, что пески образовались в стабильных областях. Ортокварциты почти не известны в эвгеосинклиналях, но есть и несколько исключении. Так, Кетнер описал ордовикские ортокварциты (формация Вальми) в эвгеосинклинальной области Невады, где они ассоциируются с зеленокаменными породами и пластовыми кремнями.
Происхождение и геологическое значение. Значительное содержание кварца, исключительная сортированность и окатанность, обнаруживаемые ортокварцитами, указывают на высокую степень их структурной и минералогической зрелости. Эти породы являются конечным продуктом продолжительного процесса выветривания, сортировки и абразии. Для достижения этого результата необходимо достаточно длительное время, чтобы области питания и осадконакопления характеризовались тектонической стабильностью или чтобы пески проходили через несколько циклов осадконакопления. Преобладает точка зрения, основанная как на экспериментальном изучении абразии песков, так и на исследовании песков крупных рек, например Миссисипи, что кварцевые арениты того типа, который встречается в геологических разрезах, вряд ли когда-либо могли образоваться в результате переноса реками, сколь продолжительным ни был бы этот перенос.
Кюнен делает вывод, что песок может достичь совершенной окатанности только в условиях эолового переноса, следовательно, песок с высокой степенью окатанности должен на каком-то этапе своей истории (не обязательно на последнем) подвергнуться эоловой обработке. Этот вывод предполагает многоцикловое образование кварцевых аренитов. что трудно установить, основываясь на внутренних свойствах самого песка. Доказательством могут служить стертые каемки обрастания, но они наблюдаются редко.
Вопреки заключению Кюнена, ряд геологических признаков свидетельствует о возможности образования очень зрелых песков под воздействием повторяющихся процессов промывания и провеивания песков в волноприбойной полосе. Фолком описано переслаивание песков высокой степени окатанности с песками заметно худшей окатанности в кварцитах Тускарора (силур) Западной Виргинии. Различие объясняется местными изменениями условий осадконакопления, при этом предполагается, что более зрелые пески образовались в условия пляжа. Такое местное провеивание или промывание, вероятно, могло обеспечить «очистку» песка от менее зрелых частиц.
Большинство современных песков не является кварцевыми аренитами. Незначительные исключения представляют пески, отлагающиеся в современном цикле при разрушении близлежащих кварцевых аренитов. Таковы некоторые пляжевые пески побережья Мексиканского залива в Северо-Западной Флориде, где песок на 99% состоит из кремнезема. Отсутствие современных кварцевых аренитов, их немногочисленность в молодых геологических формациях (за исключением, пожалуй, меловых), их широкое распространение в кембрии и отсутствие, в общем, в архее — все это требует объяснения. Можно сказать, что ортокварциты отвечают периодам длительной стабильности, которая обусловливает выравнивание поверхности и длительность процессов выветривания. Если это так, то начиная с мелового периода и до настоящего времени Земля переживает период тектонической неустойчивости и поэтому характеризуется развитием незрелых песков.