Sandsten

Den här artikeln handlar om den geologiska bergarten. För annan användning, se Sandstone (disambiguation) .

Sandsten

Sedimentär bergart Skär
platta av sandsten
Sammansättning
Typiskt kvarts och fältspat ; litiska fragment är också vanliga. Andra mineraler kan finnas i särskilt mogen sandsten.

Sandsten är en klastisk sedimentär bergart som huvudsakligen består av sandstora (0,0625 till 2 mm) silikatkorn . Sandstenar utgör cirka 20–25% av alla sedimentära bergarter .

De flesta sandsten är sammansatta av kvarts eller fältspat (båda silikater ) eftersom de är de mest motståndskraftiga mineralerna mot vittringsprocesser på jordens yta. Liksom ocementerad sand kan sandsten ha vilken färg som helst på grund av föroreningar i mineralerna, men de vanligaste färgerna är brun, brun, gul, röd, grå, rosa, vit och svart. Eftersom sandstensbäddar ofta bildar mycket synliga klippor och andra topografiska särdrag, har vissa färger av sandsten starkt identifierats med vissa regioner.

Stenformationer som i första hand består av sandsten tillåter vanligen genomträngning av vatten och andra vätskor och är porösa nog att lagra stora mängder, vilket gör dem värdefulla akviferer och petroleumreservoarer .

Kvartsbärande sandsten kan ändras till kvartsit genom metamorfism , vanligtvis relaterad till tektonisk kompression inom orogena bälten .

Ursprung

Sandstenar är clastic i ursprung (i motsats till antingen organiska , som krita och kol , eller kemiska , som gips och jaspis ). Silikatsandkornen som de bildas av är produkten av fysisk och kemisk vittring av berggrunden. Vittring och erosion är snabbast i områden av kicklättnad, liksom vulkaniska bågar , områden med kontinental spricka och orogena bälten .

Eroderad sand transporteras av floder eller med vinden från dess källområden till avsättningsmiljöer där tektoniken har skapat boendeutrymme för sediment att ackumuleras. Forearc bassänger tenderar att ackumulera sand rik på litiska korn och plagioklas . Intrakontinentala bassänger och graben längs kontinentala marginaler är också vanliga miljöer för deponering av sand.

När sediment fortsätter att ackumuleras i deponeringsmiljön, begravs äldre sand av yngre sediment och den genomgår diagenes . Detta består mestadels av packning och litifiering av sanden. Tidiga stadier av diagenes, beskrivna som eogenes , äger rum på grunda djup (några tiotals meter) och kännetecknas av bioturbation och mineralogiska förändringar i sanden, med endast liten packning. Den röda hematiten som ger rödbäddssandstenar deras färg bildas troligen under eogenesen. Djupare begravning åtföljs av mesogenes , under vilken det mesta av packningen och litifieringen äger rum.

Packning sker när sanden kommer under ökande tryck från överliggande sediment. Sedimentkorn flyttas till mer kompakta arrangemang, formbara korn (som glimmerkorn ) deformeras och porutrymmet minskar. Utöver denna fysiska packning kan kemisk packning ske via trycklösning . Kontaktpunkter mellan spannmål är under den största påfrestningen, och det silade mineralet är mer lösligt än resten av spannmålet. Som ett resultat löses kontaktpunkterna bort, vilket gör att kornen kommer i närmare kontakt.

Litifiering följer tätt på packningen, eftersom ökade temperaturer på djupet påskyndar avsättningen av cement som binder samman kornen. Trycklösning bidrar till cementering, eftersom mineralet löst från ansträngda kontaktpunkter återavsätts i de otränade porutrymmena.

Mekanisk packning sker främst på djup mindre än 1 000 meter (3 300 fot). Kemisk kompaktering fortsätter till djup av 2 000 meter (6 600 fot), och den mesta cementeringen sker på djup av 2 000–5 000 meter (6 600–16 400 fot).

Avtakning av nedgrävd sandsten åtföljs av telogenes , det tredje och sista stadiet av diagenes. Eftersom erosion minskar djupet av begravning, producerar förnyad exponering för meteoriskt vatten ytterligare förändringar av sandstenen, såsom upplösning av en del av cementen för att producera sekundär porositet .

• 

  Alkov i Navajosandstenen

• 

  av Kokh-typ skurna i Petras mångfärgade sandsten

• 

  Sandkorn av kvarts med hematitbeläggning som ger en orange färg

Komponenter

Ramkorn

Paradise Quarry, Sydney , Australien

Grus sand och granitoiden från vilken den härrör

Ramkorn är sandstora (0,0625 till 2 millimeter (0,00246 till 0,07874 tum) diameter) detritala fragment som utgör huvuddelen av en sandsten. De flesta ramkorn består av kvarts eller fältspat , som är de vanligaste mineralerna som är mest motståndskraftiga mot vittringsprocesser på jordens yta, som sett i Goldich-upplösningsserien . Ramkorn kan klassificeras i flera olika kategorier baserat på deras mineralsammansättning:

• Kvartsstrukturkorn är de dominerande mineralerna i de flesta klastiska sedimentära bergarter ; detta beror på att de har exceptionella fysikaliska egenskaper, såsom hårdhet och kemisk stabilitet. Dessa fysiska egenskaper tillåter kvartskornen att överleva flera återvinningshändelser, samtidigt som kornen kan uppvisa en viss grad av avrundning. Kvartskorn utvecklas från plutonisk bergart, som är felsiskt ursprung och även från äldre sandstenar som har återvunnits.
• Fältspatiska ramkorn är vanligtvis det näst vanligaste mineralet i sandstenar. Fältspat kan delas in i alkalifältspat och plagioklasfältspat, som kan särskiljas i ett petrografiskt mikroskop.

• Alkalisk fältspat varierar i kemisk sammansättning från KAlSi ₃ O ₈ till NaAlSi ₃ O ₈ .

• Plagioklasfältspat varierar i sammansättning från NaAlSi ₃ O ₈ till CaAl ₂ Si ₂ O ₈ .

Mikrofotografi av ett vulkaniskt sandkorn ; Den övre bilden är planpolariserat ljus, den nedre bilden är korspolariserat ljus, skalrutan till vänster i mitten är 0,25 millimeter. Denna typ av spannmål skulle vara en huvudkomponent i en litisk sandsten.

• Litiska ramverkskorn (även kallade litiska fragment eller litiska grupper) är bitar av forntida källbergarter som ännu inte har vittrat bort till enskilda mineralkorn. Litiska fragment kan vara vilken som helst finkornig eller grovkornig magmatisk, metamorf eller sedimentär bergart, även om de vanligaste litiska fragmenten som finns i sedimentära bergarter är grupper av vulkaniska bergarter.
• Tillbehörsmineraler är alla andra mineralkorn i en sandsten. Dessa mineraler utgör vanligtvis bara en liten andel av kornen i en sandsten. Vanliga tillbehörsmineraler inkluderar glimmer ( muskovit och biotit ), olivin , pyroxen och korund . Många av dessa tillbehörskorn är tätare än silikaterna som utgör huvuddelen av berget. Dessa tunga mineraler är vanligtvis resistenta mot väderpåverkan och kan användas som en indikator på sandstensmognad genom ZTR-index . Vanliga tunga mineraler inkluderar zirkon , turmalin , rutil (därav ZTR ), granat , magnetit eller andra täta, resistenta mineraler som härrör från källstenen.

Matris

Matrix är ett mycket fint material, som finns i det interstitiella porutrymmet mellan ramverkskornen. Matrisens natur inom det interstitiella porutrymmet resulterar i en tvåfaldig klassificering:

• Areniter är texturellt rena sandstenar som är fria från eller har väldigt lite matris.
• Wackes är strukturellt smutsiga sandstenar som har en betydande mängd matris.

Cement

Cement är det som binder samman de kiselplastiska ramkornen. Cement är ett sekundärt mineral som bildas efter deponering och under begravning av sandstenen. Dessa cementeringsmaterial kan vara antingen silikatmineral eller icke-silikatmineral, såsom kalcit.

• Kiselcement kan bestå av antingen kvarts eller opalmineral . Kvarts är det vanligaste silikatmineralet som fungerar som cement. I sandsten där det finns kvartscement är kvartskornen fästa vid cement, vilket skapar en kant runt kvartskornet som kallas överväxt. Överväxten behåller samma kristallografiska kontinuitet hos kvartsstomme som cementeras. Opalcement finns i sandstenar som är rika på vulkanogena material, och mycket sällan i andra sandstenar.
• Kalcitcement är det vanligaste karbonatcementet. Kalcitcement är ett sortiment av mindre kalcitkristaller. Cementen fäster vid ramverkskornen och cementerar ihop ramverkskornen.
• Andra mineraler som fungerar som cement inkluderar: hematit , limonit , fältspat , anhydrit , gips , baryt , lermineraler och zeolitmineraler .

Sandsten som blir utarmad på sitt cementbindemedel genom vittring blir gradvis spröd och instabil. Denna process kan vändas något genom applicering av tetraetylortosilikat (Si(OC _{2H 5} ) ₄ ) som kommer att avsätta amorf kiseldioxid mellan sandkornen . Reaktionen är som följer.

Si(OC _2H 5 ) _{4 (l} ) + 2 H ₂ O (l) → SiO ₂ (s) + 4 C _{2 H 5} OH (g)

Porutrymme

Porrum inkluderar de öppna utrymmena i en sten eller en jord. Porutrymmet i en bergart har en direkt relation till bergets porositet och permeabilitet . Porositeten och permeabiliteten påverkas direkt av hur sandkornen packas ihop.

• Porositet är procentandelen av bulkvolymen som bebos av mellanrum inom en given sten. Porositeten påverkas direkt av packningen av jämnstora sfäriska korn, omarrangerade från löst packade till tätast packade i sandsten.
• Permeabilitet är den hastighet med vilken vatten eller andra vätskor strömmar genom berget. För grundvatten kan arbetspermeabiliteten mätas i gallon per dag genom ett tvärsnitt på en kvadratfot under en hydraulisk enhetsgradient .

Typer av sandsten

Schematisk QFL-diagram som visar tektoniska provinser

Korsbäddning och skur i sandsten i Logan-formationen ( Lower Carboniferous) i Jackson County, Ohio

Röd sandstensinredning i Lower Antelope Canyon , Arizona, sliten slät av erosion från översvämningar under tusentals år

Sandstenar klassificeras vanligtvis genom att punkträkna en tunn sektion med en metod som Gazzi-Dickinson-metoden . Detta ger den relativa andelen kvarts, fältspat och litiska korn och mängden lermatris. Sammansättningen av en sandsten kan ge viktig information om uppkomsten av sedimenten när den används med ett triangulärt kvarts , fältspat , litiskt fragment ( QFL-diagram ) . Geologer har dock inte kunnat komma överens om en uppsättning gränser som skiljer regioner i QFL-triangeln.

Visuella hjälpmedel är diagram som gör att geologer kan tolka olika egenskaper hos en sandsten. Till exempel kan ett QFL-diagram märkas med en härkomstmodell som visar det troliga tektoniska ursprunget för sandstenar med olika sammansättningar av ramkorn. Likaså illustrerar stadiet av texturell mognadsdiagram de olika stadierna som en sandsten går igenom när graden av kinetisk bearbetning av sedimenten ökar.

• Ett QFL-diagram är en representation av ramkornen och matrisen som finns i en sandsten. Detta diagram liknar de som används i magmatisk petrologi. När den plottas korrekt skapar denna analysmodell en meningsfull kvantitativ klassificering av sandstenar.
• Ett sandstensproveniensdiagram är vanligtvis baserat på ett QFL-diagram men låter geologer visuellt tolka de olika typerna av platser från vilka sandstenar kan härröra.
• Ett diagram av texturell mognad visar skillnaderna mellan omogna, submogna, mogna och övermogna sandstenar. När sandstenen blir mognare blir kornen mer rundade och det finns mindre lera i berggrunden.

Dotts klassificeringsschema

Dotts (1964) klassificeringsschema för sandsten är ett av många sådana scheman som används av geologer för att klassificera sandstenar. Dotts schema är en modifiering av Gilberts klassificering av silikatsandstenar, och det införlivar RL Folks dubbla texturella och sammansatta mognadskoncept i ett klassificeringssystem. Filosofin bakom att kombinera Gilberts och RL Folks scheman är att det bättre är kapabelt att "skildra den kontinuerliga karaktären av textural variation från lersten till arenit och från stabil till instabil kornsammansättning". Dotts klassificeringsschema är baserat på mineralogin hos ramverkskorn och på vilken typ av matris som finns mellan ramkornen.

I detta specifika klassificeringsschema har Dott satt gränsen mellan arenite och wackes till 15 % matris. Dessutom delar Dott också upp de olika typerna av ramkorn som kan finnas i en sandsten i tre huvudkategorier: kvarts, fältspat och litiska korn.

• Areniter är typer av sandsten som har mindre än 15 % lermatris mellan ramkornen.
  • Kvartsareniter är sandstenar som innehåller mer än 90 % kiselhaltiga korn. Korn kan innehålla kvarts- eller chertstensfragment . Kvartsareniter är strukturellt mogna till övermogna sandstenar. Dessa rena kvartssand är resultatet av omfattande vittring som inträffade före och under transport. Denna vittring tog bort allt utom kvartskorn, det mest stabila mineralet . De är vanligtvis anslutna till bergarter som är avsatta i en stabil kratonisk miljö, såsom eoliska stränder eller hyllmiljöer. Kvartsareniter härrör från multipel återvinning av kvartskorn, i allmänhet som sedimentära källbergarter och mindre regelbundet som första cykelavlagringar som härrör från primära magmatiska eller metamorfa bergarter .
  • Fältspatiska areniter är sandstenar som innehåller mindre än 90 % kvarts och mer fältspat än instabila litiska fragment och mindre tillbehörsmineraler. Fältspatiska sandstenar är vanligtvis omogna eller undermogna. Dessa sandstenar förekommer i samband med kratoniska eller stabila hyllinställningar. Fältspatiska sandstenar härrör från primära kristallina stenar av granittyp. Om sandstenen är dominerande plagioklas, är den magmatisk ursprung.
  • Litiska areniter kännetecknas av generellt hög halt av instabila litiska fragment. Exempel inkluderar vulkaniska och metamorfa klasser, även om stabila klasser som chert är vanliga i litiska areniter. Denna typ av berg innehåller mindre än 90 % kvartskorn och mer instabila bergsfragment än fältspat. De är vanligtvis omogna till submogna texturellt. De är förknippade med fluvialkonglomerat och andra fluvialavlagringar, eller i marina konglomerat på djupare vatten. De bildas under förhållanden som producerar stora volymer av instabilt material, som härrör från finkorniga stenar, mestadels skiffer , vulkaniska stenar och metamorfisk sten .
• Wackes är sandstenar som innehåller mer än 15 % lermatris mellan ramkornen.
  • Kvartswacke är ovanliga eftersom kvartsareniter är texturellt mogna till övermogna.
  • Felspathic wackes är fältspatisk sandsten som innehåller en matris som är större än 15 %.
  • Lithic wacke är en sandsten där matrisen är större än 15%.
• Arkose sandstenar är mer än 25 procent fältspat . Kornen tenderar att vara dåligt rundade och mindre välsorterade än de av rena kvartssandstenar. Dessa fältspatrika sandstenar kommer från snabbt eroderande granitiska och metamorfa terränger där kemisk vittring är underordnad fysisk vittring .
• Greywacke- sandstenar är en heterogen blandning av litiska fragment och kantiga korn av kvarts och fältspat eller korn omgivna av en finkornig lermatris . Mycket av denna matris bildas av relativt mjuka fragment, såsom skiffer och vissa vulkaniska bergarter, som är kemiskt förändrade och fysiskt komprimerade efter djup nedgrävning av sandstensformationen.

Kvartsit

När sandsten utsätts för den stora värmen och trycket som associeras med regional metamorfism , omkristalliseras de individuella kvartskornen, tillsammans med det tidigare cementerande materialet, för att bilda den metamorfa stenen som kallas kvartsiten . De flesta eller alla av sandstenens ursprungliga struktur och sedimentära strukturer raderas av metamorfismen. Kornen är så tätt sammankopplade att när berget bryts spricker det genom kornen för att bilda en oregelbunden eller konkoidal fraktur.

Geologer hade redan 1941 insett att vissa bergarter uppvisar de makroskopiska egenskaperna hos kvartsit, även om de inte har genomgått metamorfos vid högt tryck och temperatur. Dessa bergarter har bara varit föremål för de mycket lägre temperaturer och tryck som är förknippade med diagenes av sedimentärt berg, men diagenes har cementerat berget så grundligt att mikroskopisk undersökning är nödvändig för att skilja den från metamorf kvartsit. Termen ortoquartzite används för att skilja sådan sedimentär bergart från metakvartsit producerad genom metamorfism. I förlängningen har termen ortoquartzite ibland använts mer allmänt för varje kvartscementerad kvartsarenit . Ortoquartzite (i snäv mening) är ofta 99 % SiO ₂ med endast mycket små mängder järnoxid och spårresistenta mineraler som zirkon , rutil och magnetit . Även om det normalt finns få fossiler är den ursprungliga texturen och sedimentära strukturerna bevarade.

Den typiska skillnaden mellan en äkta ortokvartsit och en vanlig kvartssandsten är att en ortokvartsit är så starkt cementerad att den spricker över korn, inte runt dem. Detta är en distinktion som kan kännas igen i fält . I sin tur är skillnaden mellan en ortokvartsit och en metakvartsit början av omkristallisation av befintliga korn. Skiljelinjen kan placeras vid den punkt där ansträngda kvartskorn börjar ersättas av nya, otränade, små kvartskorn, vilket ger en murbruksstruktur som kan identifieras i tunna sektioner under ett polariserande mikroskop. Med ökande grad av metamorfism producerar ytterligare omkristallisation skumstruktur , kännetecknad av polygonala korn som möts vid trippelövergångar, och sedan porfyroblastisk textur , kännetecknad av grova, oregelbundna korn, inklusive några större korn ( porfyroblaster .)

Används

The Main Quadrangle vid University of Sydney , ett så kallat sandstensuniversitet

Sandstensstaty Maria Immaculata av Fidelis Sporer, omkring 1770, i Freiburg , Tyskland

17 000 år gammal sandstensoljelampa upptäckt vid grottorna i Lascaux , Frankrike

Sandsten har använts sedan förhistorisk tid för konstruktion, dekorativa konstverk och verktyg. Det har använts flitigt runt om i världen för att bygga tempel, kyrkor, hem och andra byggnader och inom civilingenjörsarbete .

Även om dess motståndskraft mot väderpåverkan varierar, är sandsten lätt att bearbeta. Det gör det till ett vanligt bygg- och beläggningsmaterial , även i asfaltbetong . Vissa typer som har använts tidigare, till exempel Collyhurst-sandstenen som används i nordvästra England , har dock haft dålig långsiktig väderbeständighet, vilket kräver reparation och utbyte i äldre byggnader. På grund av hårdheten hos enskilda korn, enhetlighet i kornstorlek och sprödhet i deras struktur, är vissa typer av sandsten utmärkta material för att tillverka slipstenar , för att slipa blad och andra redskap. Icke spröd sandsten kan användas för att göra slipstenar för att slipa spannmål, t.ex. grussten .

En typ av ren kvartssandsten, ortoquartzite, med mer av 90–95 procent kvarts, har föreslagits för nominering till Global Heritage Stone Resource . I vissa regioner i Argentina är den ortokvartsitstenade fasaden ett av huvuddragen i bungalowerna i Mar del Plata-stil .

Se även

• Dimensionssten – Natursten som har bearbetats till specifika storlekar och former
• Lista över sandstenar
• Kurkar – Regionalt namn för en eolisk kvartskalkret på den levantinska kusten
• Sedimentbassäng – Regioner med långvariga sättningar som skapar utrymme för utfyllnad av sediment
• Sydney sandsten – Medium till grovkornig kvartssandsten med linser av mindre skiffer och laminit.
• Yorkstone – Variation av sandsten från Yorkshire, England

Bibliografi

•   Folk, RL, 1965, Petrologi av sedimentära bergarter PDF-version . Austin: Hemphill's Bookstore. 2:a uppl. 1981, ISBN 0-914696-14-9 .
•   Pettijohn FJ , PE Potter och R. Siever, 1987, Sand and sandstone , 2nd ed. Springer-Verlag. ISBN 0-387-96350-2 .
•   Scholle, PA, 1978, En färgillustrerad guide till beståndsdelar, texturer, cement och porositeter i sandstenar och associerade stenar, American Association of Petroleum Geologists Memoir no. 28. ISBN 0-89181-304-7 .
•   Scholle, PA och D. Spearing, 1982, Sandstone depositional environments: clastic terrigenous sediments , American Association of Petroleum Geologists Memoir no. 31. ISBN 0-89181-307-1 .
• USGS Minerals Yearbook: Stone, Dimension , Thomas P. Dolley, US Dept. of the Interior, 2005 (format: PDF).

Vidare läsning

• Webb, Jonathan. Sandstensformer "smidda av gravitationen" (juli 2014), BBC News