Anortozyt Kamień nie tylko księżycowy

Transkrypt

1 Anortozyt Kamień nie tylko księżycowy Anortozyty są pięknymi skałami magmowymi, zbudowanymi niemal wyłącznie z jednego minerału skałotwórczego plagioklazu, tj. glinokrzemianu wapniowo-sodowego, z niewielkimi tylko wtrąceniami piroksenu i tlenków żelaza i tytanu. Skały te występują na Ziemi przeważnie w obrębie starych prekambryjskich kratonów krystalicznych, np. kratonu wschodnioeuropejskiego, który stanowi podłoże rozległego obszaru północno-wschodniej Polski. Jednakże anortozyty to nie tylko skały ziemskie. Mało kto wie, że budują one około 85 proc. powierzchni naszego najbliższego naturalnego satelity Księżyca. Termin anortozyt wprowadzony został przez Hunta w 1862 roku jako synonim plagioklazytu i pochodzi od trójskośnej (anorthose) budowy krystalograficznej skaleni sodowo-wapniowych. Na zdjęciu: charakterystyczne zonalnie iryzujące kryształy labradoru w skałach z masywu Korosteń na Ukrainie Lewis Ashwal w 1993 roku w swojej znakomitej monografi i dotyczącej anortozytów przedstawia sześć głównych typów wystąpień skał anortozytowych: 1) archaiczne plutony anortozytowe, obejmujące 4 mld lat historii Ziemi, 2) proterozoiczne plutony typu masywowego o wieku 2,5-0,6 mld lat, 3) anortozyty w mafi cznych intruzjach warstwowanych (warstewki od 1cm do 100 metrów), 4) cienkie warstewki anortozytów w ofi olitowej skorupie oceanicznej, 5) małe inkluzje w innych skałach (ksenolity lub inkluzje pokrewne), 6) anortozyty z wyżyn księżycowych, przypuszczalnie też z Merkurego, oraz spotykane w niektórych meteorytach. Największe wystąpienia anortozytów ziemskich notuje się na obszarach o wieku archaicznym i proterozoicznym, Poszczególne ciała anortozytowe w kanadyjskiej prowincji Grenvill mają od 1 km 2 do 17 tys. km 2. Wiek skał obejmuje późny archaik aż do późnego proterozoiku, ale przytłaczająca większość masywów powstawała pomiędzy mln lat, a więc ten wieloetapowy, pulsacyjny magmatyzm obejmował okres ok. 600 mln lat. które zajmują obecnie zaledwie 20 proc. ogólnej odsłoniętej powierzchni skorupy ziemskiej. Jednakże najlepiej poznane są intruzje proterozoicznych anortozytów typu masywowego lub typu Alard Lake. Występują one na powierzchni, na dużych obszarach Kanady, głównie w rejonie półwyspu Labrador, na Grenlandii i w Norwegii (prowincja Rogaland). Kanadyjska prowincja Grenville jest kopalnią wiedzy o anortozytach masywowych na świecie. Cała prowincja obejmuje ok. 64 tys. km 2, a nagromadzenie intruzji anortozytowo-norytowych jest tam imponujące. Poszczególne ciała anortozytowe mają od 1 km 2 do 17 tys. km 2 (np. masyw Lac St Jean). Wiek skał w prowincji Grenville 82

2 Kamieniołom labradorytów w masywie Korosten na Wołyniu, Ukraina Anortozyty w Polsce Suwalski masyw anortozytowy, o owalnym zarysie w obrazie geofizycznym, zajmuje obszar 250 km 2 i składa się z centralnie położonych anortozytów, zajmujących ok. 140 km 2 powierzchni, otoczonych pierścieniem norytów i gabronorytów (ok. 110 km 2 ), które przechodzą marginalnie w odmiany skał typu gabr, leukogabr i diorytoidów. Anortozyty suwalskie są ciemnoszarymi skałami grubokrystalicznymi, niekiedy zawierają bardzo duże kryształy iryzującego zwykle na niebiesko labradoru, ale obecne są też odmiany zielone i czerwone. Na zdjęciu: kryształy błękitnego labradoru w anortozycie suwalskim. Fragment rdzenia wiertniczego z głębokości 2117,0 m w polu rudnym Jeleniewo IG-4 obejmuje późny archaik aż do późnego proterozoiku, ale przytłaczająca większość masywów powstawała pomiędzy mln lat, a więc ten wieloetapowy, pulsacyjny magmatyzm obejmował okres ok. 600 mln lat. Linearny mafi czny magmatyzm grenvilski, o przebiegu NE-SW, jest związany z olbrzymią strefą tektoniczną o charakterze akrecyjno-kolizyjnym. Podobną, rozległą prowincję proterozoiczną obserwuje się na tarczy bałtyckiej. Cały region Fennoskandynawii, zarówno na terenie Rosji, Finlandii, Szwecji i Norwegii, bogaty jest w wystąpienia anortozytów i skał magmowych związanych z anortozytami tzw. facją skał magmowych AMCG (składa się z anortozytów, mangetrytów, czarnockitów, granitów). Największe wystąpienia anortozytów na powierzchni Skandynawii w wieku 0,9 mld lat znajdują się w prowincji Rogaland w Norwegii. Są one w wielu miejscach stowarzyszone i związane genetycznie z dużymi złożami rud tytanu i żelaza, jak między innymi złoże ilmenitu Tellnes. We wschodniej Skandynawii charakterystyczną cechą wystąpień facji skał AMCG jest obfi tość ostatniego członu tej facji, a więc granitów rapakiwi. Towarzyszące granitom masywy anortozytowe znajdują się głęboko pod powierzchnią Ziemi i zostały zidentyfi kowane za pomocą metod geofi zycznych. Wiek magmatyzmu AMCG w Skandynawii obejmuje okres od 1,67 (Wyborg Finlandia) do 0,9 mld lat (Rogaland Norwegia). Na obszarze podłoża krystalicznego północno-wschodniej Polski, należącego również do Fennoskandynawii, w rejonie Mazur i Suwalszczyzny, występuje wielka proterozoiczna prowincja anortozytowo-granitowa typu AMCG o wieku ok. 1,55-1,5 mld lat. Jest to linearna struktura magmowa o przebiegu E-W, zbudowana z granitów typu rapakiwi, charnockitów, mangetrytów, diorytoidów i mafi cznych kompleksów anortozytowych. Najlepiej poznano masyw suwalski, zalegający na głębokości 800 m pod powierzchnią Ziemi, w NE narożu Polski. Masyw suwalski został dobrze zbadany ze względu na obecność w nim bogatych rud Fe-Ti-V (żelazo, tytan, wanad), których eksploatację górniczą przygotowywano jeszcze w latach siedemdziesiątych. Kopalnia rud żelaza i tytanu w Krzemiance jednak nie powstała. Zatrzymały ją protesty ekologów oraz niesprzyjająca inwestycjom sytuacja ekonomicznopolityczna w Polsce na początku lat osiemdziesiątych XX wieku. W obrębie anortozytów i norytów występują w kilku miejscach bogate rudy ilmenitowo-magnetytowe, z podrzędną mineralizacją siarczkami żelaza, miedzi, niklu i kobaltu. Geolodzy udokumentowali trzy pola rudne w masywie suwalskim. Są to złoża: Krzemianka, Udryń i Jeleniewo. Rudy w nich występujące charakteryzują się wysoką zawartością żelaza, tytanu z niewielką domieszką wanadu i stanowią ukrytą pod nadkładem skał osadowych rezerwę tych metali dla przyszłych pokoleń. Najstarsze skały anortozytowe w Europie, o wieku 1,8 1,7 mld lat, występują na tarczy ukraińskiej w masywie Korosteń-Korsuń, reprezentując pełny inwentarz facji skał AMCG. Odsłaniają się one na powierzchni w wielu kamieniołomach na Wołyniu. Anortozyty ukraińskie są charakterystyczne i łatwo rozpoznawalne po ich bardzo ciemnej barwie i dużych, zonalnych, iryzujących kryształach szafi rowoniebieskiego plagioklazu-labradoru i dlatego są nazywane labradorytami. Jest to znakomity i cenny kamień okładzinowy, o dużej twardości i odporności na ścieranie, stosowany nie tylko jako okładzina elewacyjna ścian, schodów i reprezentacyjnych placów (charakterystyczne pawie oczka labradorytowe na placu przed Operą Narodową we Lwowie), ale także jako kamień dekoracyjny, chętnie używany na Ukrainie do budowy postumentów pomnikowych, a także fragmentów znanych 83

3 pomników na świecie, np. znakomitego pomnika Bernarda Shaw w Dublinie. Anortozyty i labradoryty ukraińskie, a także skandynawskie są chętnie sprowadzane do Polski i używane głównie do dekoracji wnętrz budynków użyteczności publicznej oraz jako wykładzina elewacyjna ścian reprezentacyjnych gmachów, banków, biurowców, oraz jako materiał do produkcji nagrobków. Przykładem takich zastosowań może być międzynarodowe centrum biznesowe przy rondzie Jazdy Polskiej koło Politechniki Warszawskiej lub znany budynek Zeptera (tzw. czajnik) na warszawskim Mokotowie, obłożony wypolerowanym i połyskującym ciemnym labradorytem z Norwegii. Wśród labradorytów fi ńskich znana jest także grubokrystaliczna odmiana, o niezwykłej, tęczowej iryzacji, której nadano nazwę spektrolit ze względu na jej barwne spek- Pomnik Bernarda Shaw w Dublinie, Irlandia. Spodnie poety zostały wykonane z labradorytu norweskiego tra. Spektrolity są wykorzystywane lokalnie w Finlandii jako kamień półszlachetny, z którego wykonuje się piękną biżuterię i cenne użytkowe przedmioty dekoracyjne. Z kolei w Norwegii, w okolicy Oslo, występuje także piękna, jasnoniebieska odmiana magmowej dekoracyjnej skały skaleniowej, nienależącej do grupy anortozytów, lecz bardzo je przypominająca larvikit, od miejsca występowania - Larvik w zapadlisku Oslo. Jest to skała stosunkowo grubokrystaliczna, w 90 proc. złożona z jednoskośnego skalenia potasowo-sodowego (anortoklazu), z submikroskopowymi przerostami plagioklazu i skalenia potasowego. W ostatnim stuleciu norweski larvikit stał się szeroko stosowanym na świecie kamieniem dekoracyjnym i elewacyjnym. Jego nazwy handlowe są bardzo różnorodne, np. Birds Eye Granite, Black Moonstone, Blue Norwegian Moonstone, Blue Pearl Granite, Blue Granite, Blue Antique, Blue Pearl, Blue Pearl Fjord, Emerald Pearl, Labradorite, Larvik Granite, Marina Blue Star, Norwegian Pearl Granite, Norwegian Moonstone i Royal Blue Pearl Granite. Niestety, określenie takie jak granit jest całkowicie błędne i zupełnie niezgodne ze składem petrografi cznym skały. Chociaż niektóre anortozyty przypominają larvikit i mogą być używane w zastępstwie tego ostatniego, to anortozyt nigdy nie był szlachetną skałą, jaką stał się norweski larvikit. Bywa on używany nie tylko jako cenny kamień elewacyjny czy okładzinowy, ale także jako kamień używany w jubilerstwie w formie kaboszonów, zawieszek, brosz i innej pięknej biżuterii. Modele geologiczne powstawania anortozytów masywowych Znanych jest wiele teorii dotyczących powstawania anortozytów, m.in. teoria Bowena z 1917 roku, Morse a z 1968, Emsliego z Generalnie dyskusja toczy się wokół źródeł pochodzenia substancji macierzystej dla anortozytów. Wymienieni badacze uważali, że magma o składzie Najstarsze skały anortozytowe w Europie, o wieku 1,8 1,7 mld lat, występują na tarczy ukraińskiej w masywie Korosteń-Korsuń. Odsłaniają się one na powierzchni w wielu kamieniołomach na Wołyniu. bazaltu mogła się tworzyć w górnym płaszczu ziemskim, a następnie wznosiła się i spiętrzała na granicy skorupy i płaszcza, tworząc rozległą komorę magmową, gdzie dochodziło do rozdzielenia na składniki lżejsze i cięższe i ich iniekcje w wyższe partie skorupy ziemskiej. W latach dziewięćdziesiątych pojawiły się nowe koncepcje, m.in. Ashwala, 1995, oraz Duchesne, Ten ostatni i jego współpracownicy uważają, że źródło magmy macierzystej dla anortozytów znajdowało się w dolnej skorupie ziemskiej, co potwierdziły badania eksperymentalne i izotopowe, przeprowadzone w ostatnim okresie na wielu próbkach skał anortozytowych na świecie. Skąd pochodzą anortozyty na Księżycu Księżyc od dawna był obiektem obserwacji i szczegółowych badań w celu poznania jego budowy, składu skalnego i mineralnego oraz jego genezy i ewolucji. Niektóre części powierzchni Księżyca są prawie takie same, jakimi były 4,5 mld lat temu. Sekrety Księżyca są zachowane w pyle, skałach, kraterach, równinach i górzystych wyniesieniach. Te właśnie sekrety powoli są odkrywane dzięki skałom i osadom zebranym przez misje Apollo. Wiele naukowych odkryć i potwierdzeń zostało dokonanych na podstawie badań próbek z Księżyca, 84

4 włącznie ze stwierdzeniem, że Ziemia i Księżyc są prawie tego samego wieku, tj. mają ok. 4,5 mld lat, oraz że system Ziemia - Księżyc zbudowany jest z podobnego materiału, ale o innym składzie i że Księżyc ma znacznie mniejszą gęstość w porównaniu z Ziemią. Księżyc znajduje się na synchronicznej orbicie okołoziemskiej i zawsze ukazuje tylko swoją jedną stronę, zwaną bliską stroną, która ma cieńszą skorupę, wynoszącą średnio około 60 km, w porównaniu ze 100-kilometrową po stronie dalszej. Na bliższej stronie znajduje się więcej basenów bazaltowych, podczas gdy strona dalsza jest pokryta wyżynami i górzystymi łańcuchami o wysokości ponad 5 km, zbudowanymi z brekcji anortozytowej. Wszystkie lądowania statków Apollo, ze względu na ich bezpieczeństwo i możliwość kontaktowania, były na bliższej stronie Księżyca. Skały odkryte podczas misji Apollo to: brekcje księżycowe złożone z kanciastych fragmentów starszych skał zarówno z wyżyn, jak i mórz księżycowych, które powstawały w wyniku uderzeń niezliczonej ilości meteorytów przez długi okres historii Księżyca. Temperatura i ciśnienie wywołane impaktem powodowały topienie małych fragmentów skał i łączenie większych w nowe skały. Drugim typem skał jest tzw. regolit księżycowy, od łacińskiego wyrazu regolite oznaczającego kamienny koc bardzo gruba okrywa sypkiego, pylasto-żwirowego materiału skalnego o barwie węglistoszarej, powstałego w wyniku ubijania i mieszania rozdrobnionych skał przez deszcz spadających meteorytów w okresie milionów lat. Ten kamienny koc przykrywa powierzchnię Księżyca na głębokość 1 km na obszarze mórz księżycowych i ponad 20 km w niektórych obszarach wyżyn. Chemiczny skład regolitu jest zmienny w zależności od lokalizacji. Regolit z wyżyn jest wzbogacony w Al i Ca, w pobliżu mórz zaś jest wzbogacony w Mg i Fe. Oczywiście jest wiele miejsc, gdzie materiał jest zupełnie wymieszany. Słoneczny wiatr implantował do składu regolitu pewne ilości gazów szlachetnych, takich jak: hel, neon wodór i węgiel. Badając składy izotopowe tych składników, naukowcy mogli dowiedzieć się wiele o Słońcu i całym układzie słonecznym. Spektrolit (półszlachetna odmiana labradorytu z Finlandii używanego do produkcji biżuterii i innych przedmiotów dekoracyjnych) w kamieniołomie w Ylämaa, nieopodal Wyborgu Centrum biznesowe na rondzie Jazdy Polskiej w Warszawie z elewacją z ciemnego, palonego anortozytu Na podstawie badań izotopów tlenu wiemy, że Ziemia i Księżyc koegzystowały od początku powstania układu słonecznego. Większość pierwiastków obecnych na Ziemi spotkano także na Księżycu. Są to krzemiany: piroksen, plagioklaz i oliwin, minerały z grupy krzemionki: kwarc, trydymit, krystobalit oraz inne krzemiany: cyrkon, pyroferroit (Mn,Fe)SiO 3, granat, tranquillit, tlenki: ilmenit, spinel, armalcolit (od nazwisk pierwszych kosmonautów) i składzie (Fe,Mg)Ti 2 O 5, chromit, ulvöspinel, siarczki żelaza: troilit i metale rodzime: żelazo rodzime, nikiel rodzimy i inne. Obecne są też minerały pochodzenia meteorytowego: szreibersyt (Fe,Ni)3P, cohenit Fe3C, niningeryt (Mg,Fe-,Mn)S, lawrencyt, oldhamit (Ca,Mn)S, kamacyt (α-żelazo + 6% Ni), taenit (γ-żelazo +(27-60% Ni), plessit (przerosty kamaitu z taenitem). Ewolucja Księżyca Przypuszcza się, że Księżyc przechodził sześć oddzielnych stadiów rozwoju, zanim osiągnął stan, w jakim widzimy go obecnie. Zgodnie z pracą Haskina i in. (1999) około 4,6 mld lat temu Księżyc był całkowicie stopionym ciałem. Stopiony materiał rozdzielał się na odrębne warstwy złożone ze związków o różnej gęstości. W pierwszym etapie powstało niewielkie jądro, dolny i górny płaszcz księżycowy. W drugim etapie (Pre-Nectarian) - ok. 4,3 mld lat temu, rozpoczęło się formowanie księżycowej skorupy. Ponieważ górna warstwa oceanu magmowego oziębiała się, zaczęły krystalizować tylko minerały bogate w Fe i Mg, i z powodu swojej gęstości 86

5 Księżycowa brekcja anortozytowa, przywieziona przez kosmonautów z misji Apollo chały lżejszy materiał w wyższe części magmy. Ten proces spowodował mieszanie się obu typów magm i późniejszą dyferencjację tego materiału. W tym samym czasie Księżyc przechodził ogromnie intensywne bombardowania materiałem kosmicznym. W trzecim etapie (Nectarian) około 3,92-3,85 mld lat temu, zakończyło się formowanie wyżyn księżycowych. Jednakże przechodziły one ciągle intensywne bombardowanie meteorytami, w wyniku których ogromne baseny i doliny zostały pokryte kraterami. Dodatkowo w tym okresie wewnętrzna temperatura pod powierzchnią skorupy wzrosła. Był to rezultat radiacji i braku ujścia temperatury na zewnątrz zestalonej już skorupy. W końcu wewnętrzna temperatura wzrosła do tego stopnia, że górny płaszcz i dolna skorupa zaczęły się przetapiać. Czwarty etap (Imbrian) - to okres 3,85-3,15 mld lat. Wiele wielkich kraterów impaktowych, mających cienką i spękaną skorupę na swoim dnie, zaczęło się wypełniać poprzez opadały na dno oceanu magmowego. Skład rezydualnej magmy zmieniał się, kolejno krystalizowały ilmenit, piroksen, bogate w wapń i glin skalenie (anortozyty). Skalenie o mniejszej gęstości w porównaniu z magmą rezydualną pływały po jej powierzchni, tworząc zaczątki pierwotnej skorupy. Ostatnie składniki magmy rezydualnej zostały poniżej skorupy skaleniowej i były wzbogacone w pierwiastki śladowe KREEP (skrót od pierwiastków: potasu, pierwiastków ziem rzadkich i fosforu). Nieco później przetapianie głęboko zdeponowanych minerałów Fe-Mg utworzyło świeżą magmę bazaltową, która wzniosła się, tworząc lawę mórz księżycowych. A więc skorupa utworzona została z najlżejszego materiału, takiego jak: krzemiany i glinokrzemiany, które były obecne w górnym płaszczu. Nowa skorupa szybko się oziębiła i unosiła na wierzchu znacznie bardziej gęstego oceanu magmowego. Pod nową skorupą cięższe pierwiastki i minerały, takie jak oliwin i piroksen, opadały głębiej do magmy górnego płaszcza i zgodnie z opinią Haskina, wypygłębokie szczeliny lawą bazaltową bogatą w Fe i Ti pochodzącą z przetopienia. Ten proces nazwano wulkanizmem ekstruzywnym. Skały plutoniczne budujące wyżyny księżycowe wzbogacone są w wapń, glin i pierwiastki śladowe (KREEP), a bazalty mórz księżycowych, pochodzące z płaszcza, są wzbogacone w żelazo i tytan, co ujawnia się również w zabarwieniu tych podstawowych struktur morfologicznych Księżyca. Piąty etap (Eratosthenian) to okres od 3,15 do 1,0 mld lat. Księżyc jest już zestalony z niewielkimi lub też nieobecnymi procesami magmowymi (nie ma wylewów magmy ani ruchu skorupy). Rozwijają się mniejsze kratery na wyżynach księżycowych. Szósty etap (Copernican) trwa od 1,0 mld lat do dziś. Na Księżycu powstają impaktowe kratery promieniste. Litosfera księżycowa zalegająca pod skorupą ma około 800 km grubości i jest prawie całkowicie zestalona. Następną warstwą jest astenosfera, grubości 1400 km, która jest przypuszczalnie na wpół plastyczna. Ostatnim wewnętrznym komponentem Księżyca jest jego małe metaliczne jądro średnicy ok. 700 km. Składa się ono z ciężkich metali żelaza i niklu. Według Kaufmanna jądro Księżyca nie jest Na bliższej Ziemi stronie Księżyca znajduje się więcej basenów bazaltowych, podczas gdy strona dalsza jest pokryta wyżynami i górzystymi łańcuchami o wysokości ponad 5 km, zbudowanymi z brekcji anortozytowej. całkiem centryczne, lecz przemieszczone o kilkanaście km od prawdziwego centrum tego ciała. Archaiczne anortozyty ziemskie i anortozyty księżycowe wykazują wiele podobieństw: zbudowane są z wapniowego członu plagioklazów - anortytu. Są to anortozyty właściwe. Asocjacja anortozytów księżycowych z bogatymi w Ti bazaltami mórz księżycowych oraz ich negatywnymi anomaliami Eu skierowała uwagę badaczy raczej w stronę podobieństw do anortozytów masywowych, które współwystępują z odmianami skał bogatymi w Ti, włącznie z ilmenitonośnymi ferrogabrami. Odmienna historia ewolucji Księżyca i Ziemi spowodowała zatarcie istniejących podobieństw pierwotnych anortozytów ziemskich i księżycowych, ale na podstawie badań materiału księżycowego zdajemy sobie sprawę, że skały te na Ziemi stanowią dla naukowców rodzaj okien petrologicznych do poznania pierwotnych etapów rozwoju naszej planety. dr Janina Wiszniewska, Państwowy Instytut Geologiczny, janina.wiszniewska@pgi.gov.pl 88