Песчаник: состав, образование и свойства.

Введение

Тип осадочной породы – геологический тип породы.

Песчаник – это кластическая осадочная порода, состоящая главным образом из силикатных зерен размером от 0,0625 до 2 мм. Песчаники составляют около 20–25% всех осадочных пород. Большинство песчаников состоит из кварца или полевого шпата, поскольку они наиболее устойчивы к процессам выветривания на поверхности Земли. Как и нескрепленный песок, песчаник может иметь любой цвет из-за примесей в минералах, но наиболее распространенные цвета – песочный, коричневый, желтый, красный, серый, розовый, белый и черный. Поскольку песчаные пласты могут формировать хорошо заметные скалы и другие топографические элементы, определенные цвета песчаника прочно ассоциируются с определенными регионами, например, красные скалистые пустыни Национального парка Арки и других районов американского Юго-Запада. Горные образования, состоящие из песчаника, обычно пропускают воду и другие жидкости и достаточно пористы для хранения больших объемов, что делает их ценными водоносными горизонтами и нефтегазовыми коллекторами. Песчаники, богатые кварцем, могут превращаться в кварцит в результате метаморфизма, обычно связанного с тектоническим сжатием в орогенных поясах.

Происхождение

Песчаники имеют кластическое происхождение (в отличие от органических, таких как мел и уголь, или химических, таких как гипс и яшма). Кремниевые песчаные зерна, из которых они формируются, являются продуктом физического и химического выветривания коренных пород. Выветривание и эрозия наиболее интенсивны в областях с высоким рельефом, таких как вулканические дуги, зоны континентального рифтинга и орогенные пояса. Эродированный песок переносится реками или ветром из областей источника в осадочные среды, где тектоника создала пространство для аккумуляции осадков. В предгорных впадинах обычно накапливается песок, богатый литическими зернами и плагиоклазом. Внутриконтинентальные бассейны и грабены вдоль континентальных окраин также являются распространенными средами для осаждения песка. По мере накопления осадков в осадочной среде, более старый песок погребается под молодыми отложениями и подвергается диагенезу. Этот процесс в основном состоит из уплотнения и литификации песка. Ранние стадии диагенеза, известные как эогенез, происходят на небольшой глубине (несколько десятков метров) и характеризуются биотурбацией и минералогическими изменениями в песках, с незначительным уплотнением. Красный гематит, придающий красноцветным песчаникам их цвет, вероятно, формируется в процессе эогенеза. Углубление захоронения сопровождается мезогенезом, в ходе которого происходит большая часть уплотнения и литификации. Уплотнение происходит по мере увеличения давления на песок со стороны вышележащих отложений. Зерна осадочных пород перемещаются в более компактное расположение, пластичные зерна (например, зерна слюды) деформируются, а пористое пространство уменьшается. Помимо этого физического уплотнения, может происходить химическое уплотнение посредством растворения под давлением. Точки контакта между зернами испытывают наибольшее напряжение, и минерал в этих точках становится более растворимым, чем остальная часть зерна. В результате точки контакта растворяются, позволяя зернам сближаться. Разрушение вышележащих пород над погребенным песчаником сопровождается телогенезом – третьей и заключительной стадией диагенеза. Большинство каркасных зерен состоит из кварца или полевого шпата, которые являются наиболее устойчивыми к процессам выветривания на поверхности Земли минералами, что подтверждается рядом растворения Голдиха. Каркасные зерна можно классифицировать на несколько категорий в зависимости от их минерального состава: кварцевые каркасные зерна являются доминирующими минералами в большинстве кластических осадочных пород, поскольку обладают исключительными физическими свойствами, такими как твердость и химическая стабильность. Многие из этих акцессорных зерен более плотные, чем силикаты, составляющие основную массу породы. Эти тяжелые минералы обычно устойчивы к выветриванию и могут использоваться в качестве индикатора зрелости песчаника посредством индекса ZTR. К распространенным тяжелым минералам относятся циркон, турмалин, рутил (отсюда и ZTR), гранат, магнетит или другие плотные, устойчивые минералы, происходящие из исходной породы.

Sandstones are clastic in origin (as opposed to either organic, like chalk and coal, or chemical, like gypsum and jasper). The silicate sand grains from which they form are the product of physical and chemical weathering of bedrock. Weathering and erosion are most rapid in areas of high relief, such as volcanic arcs, areas of continental rifting, and orogenic belts. Eroded sand is transported by rivers or by the wind from its source areas to depositional environments where tectonics has created accommodation space for sediments to accumulate. Forearc basins tend to accumulate sand rich in lithic grains and plagioclase. Intracontinental basins and grabens along continental margins are also common environments for deposition of sand. As sediments continue to accumulate in the depositional environment, older sand is buried by younger sediments, and it undergoes diagenesis. This mostly consists of compaction and lithification of the sand. Early stages of diagenesis, described as eogenesis, take place at shallow depths (a few tens of meters) and are characterized by bioturbation and mineralogical changes in the sands, with only slight compaction. The red hematite that gives red bed sandstones their color is likely formed during eogenesis. Deeper burial is accompanied by mesogenesis, during which most of the compaction and lithification takes place. Compaction takes place as the sand comes under increasing pressure from overlying sediments. Sediment grains move into more compact arrangements, ductile grains (such as mica grains) are deformed, and pore space is reduced. In addition to this physical compaction, chemical compaction may take place via pressure solution. Points of contact between grains are under the greatest strain, and the strained mineral is more soluble than the rest of the grain. As a result, the contact points are dissolved away, allowing the grains to come into closer contact. Unroofing of buried sandstone is accompanied by telogenesis, the third and final stage of diagenesis. Most framework grains are composed of quartz or feldspar, which are the common minerals most resistant to weathering processes at the Earth's surface, as seen in the Goldich dissolution series. Framework grains can be classified into several different categories based on their mineral composition:
Quartz framework grains are the dominant minerals in most clastic sedimentary rocks; this is because they have exceptional physical properties, such as hardness and chemical stability. Many of these accessory grains are more dense than the silicates that make up the bulk of the rock. These heavy minerals are commonly resistant to weathering and can be used as an indicator of sandstone maturity through the ZTR index. Common heavy minerals include zircon, tourmaline, rutile (hence ZTR), garnet, magnetite, or other dense, resistant minerals derived from the source rock.

Пространство пор

Пористые пространства включают в себя открытые пространства внутри горной породы или почвы. Пористое пространство в породе имеет непосредственное отношение к пористости и проницаемости породы. На пористость и проницаемость напрямую влияет способ упаковки песчинок. Карта происхождения песчаника обычно основана на диаграмме QFL, но позволяет геологам визуально интерпретировать различные типы источников, из которых могут происходить песчаники. Диаграмма стадий текстурной зрелости показывает различия между незрелыми, полузрелыми, зрелыми и сверхзрелыми песчаниками. По мере созревания песчаника зерна становятся более округлыми, а содержание глины в матрице породы уменьшается. Философия, лежащая в основе объединения схем Гилберта и Р.Л. Фолка, заключается в том, что она лучше способна "отобразить непрерывный характер текстурных изменений от глинистого сланца до аренита и от стабильного к нестабильному зернового состава". Зерна настолько плотно сцеплены, что при разрушении породы она скалывается сквозь зерна, образуя неправильный или раковистый излом. К 1941 году геологи признали, что некоторые породы демонстрируют макроскопические характеристики кварцита, хотя и не подвергались метаморфизму при высоком давлении и температуре. Эти породы подвергались лишь гораздо более низким температурам и давлениям, связанным с диагенезом осадочных пород, но диагенез настолько прочно сцементировал породу, что для ее отличия от метаморфического кварцита требуется микроскопическое исследование. Термин "ортокварцит" используется для обозначения таких осадочных пород, отличая их от метакварцита, образованного в результате метаморфизма. В расширенном смысле термин "ортокварцит" иногда применяется в более общем виде к любому кварц-цементированному кварцевому арениту. Ортокварцит (в узком смысле) часто состоит на 99% из SiO2, с очень небольшим количеством оксида железа и следовыми количествами устойчивых минералов, таких как циркон, рутил и магнетит. Хотя окаменелостей обычно немного, исходная текстура и осадочные структуры сохраняются. Типичное различие между истинным ортокварцитом и обычным кварцевым песчаником заключается в том, что ортокварцит настолько сильно цементирован, что скалывается сквозь зерна, а не вокруг них. Это отличие можно заметить в полевых условиях. В свою очередь, различие между ортокварцитом и метакварцитом заключается в начале рекристаллизации существующих зерен. Граница может быть проведена в точке, где деформированные кварцевые зерна начинают заменяться новыми, недеформированными, мелкими кварцевыми зернами, образуя текстуру "раствора", которую можно идентифицировать в тонких срезах под поляризационным микроскопом. С увеличением степени метаморфизма дальнейшая рекристаллизация приводит к образованию пены, характеризующейся многоугольными зернами, соприкасающимися в тройных точках, а затем порфиробластической текстуры, характеризующейся крупными, неправильными зернами, включая некоторые более крупные зерна (порфиробласты). из декоративного искусства и инструментов. Он широко используется во всем мире в строительстве храмов, церквей и других сооружений.

Pore space includes the open spaces within a rock or a soil. The pore space in a rock has a direct relationship to the porosity and permeability of the rock. The porosity and permeability are directly influenced by the way the sand grains are packed together. A sandstone provenance chart is typically based on a QFL chart but allows geologists to visually interpret the different types of places from which sandstones can originate. A stage of textural maturity chart shows the differences between immature, submature, mature, and supermature sandstones. As the sandstone becomes more mature, grains become more rounded, and there is less clay in the matrix of the rock. The philosophy behind combining Gilbert's and R. L. Folk's schemes is that it is better able to "portray the continuous nature of textural variation from mudstone to arenite and from stable to unstable grain composition". The grains are so tightly interlocked that when the rock is broken, it fractures through the grains to form an irregular or conchoidal fracture. Geologists had recognized by 1941 that some rocks show the macroscopic characteristics of quartzite, even though they have not undergone metamorphism at high pressure and temperature. These rocks have been subject only to the much lower temperatures and pressures associated with diagenesis of sedimentary rock, but diagenesis has cemented the rock so thoroughly that microscopic examination is necessary to distinguish it from metamorphic quartzite. The term orthoquartzite is used to distinguish such sedimentary rock from metaquartzite produced by metamorphism. By extension, the term orthoquartzite has occasionally been more generally applied to any quartz cemented quartz arenite. Orthoquartzite (in the narrow sense) is often 99% SiO2 with only very minor amounts of iron oxide and trace resistant minerals such as zircon, rutile and magnetite. Although few fossils are normally present, the original texture and sedimentary structures are preserved. The typical distinction between a true orthoquartzite and an ordinary quartz sandstone is that an orthoquartzite is so highly cemented that it will fracture across grains, not around them. This is a distinction that can be recognized in the field. In turn, the distinction between an orthoquartzite and a metaquartzite is the onset of recrystallization of existing grains. The dividing line may be placed at the point where strained quartz grains begin to be replaced by new, unstrained, small quartz grains, producing a mortar texture that can be identified in thin sections under a polarizing microscope. With increasing grade of metamorphism, further recrystallization produces foam texture, characterized by polygonal grains meeting at triple junctions, and then porphyroblastic texture, characterized by coarse, irregular grains, including some larger grains (porphyroblasts.) decorative art works and tools. It has been widely employed around the world in constructing temples, churches,

Хотя устойчивость к выветриванию варьируется, песчаник легко обрабатывается. Это делает его распространенным строительным и мостовым материалом, в том числе в асфальтобетоне. Однако некоторые типы, которые использовались в прошлом, такие как песчаник из Коллихерста, применявшийся в Северо-Западной Англии, имели плохую долгосрочную устойчивость к атмосферным воздействиям, что потребовало ремонта и замены в старых зданиях. Благодаря твердости отдельных зерен, однородности размера зерен и рыхлости структуры некоторые виды песчаника являются отличными материалами для изготовления точильных камней для заточки лезвий и других инструментов. Не рыхлый песчаник можно использовать для изготовления жерновов для помола зерна, например, гравия. Тип чистого кварцевого песчаника, ортокварцит, содержащий более 90–95 процентов кварца, был предложен для включения в список ресурсов камня Всемирного наследия. В некоторых регионах Аргентины фасад из ортокварцита является одной из основных особенностей бунгало в стиле Мар-дель-Плата.