Pochodzenie stylolitów w gipsach z czapy wysadu solnego Wapna

Pochodzenie stylolitów w gipsach z czapy wysadu solnego Wapna

Joanna Jaworska*

Origin of stylolites in gypsum cap rock of Wapno Salt Dome (NW Poland). Prz. Geol., 54: 166–169. S u m m a r y. Stylolites have been found in a core sample from the gypsum cap rock of the Wapno salt dome (figs 1–3) at a depth of 40 m below the land surface. These structures are inclined at 40–45º to the core axis and cut by neomorphic gypsum crystals. Stylolites are products of the solution pressure. They commonly occur in carbonates but are very rarely encountered in evaporates, thus the origin and preservation of these structures in the cap rock of Wapno dome are interesting problems. Lithostatic pressure near the surface where the cap rock has been formed is insufficient to develop stylolites. Thus stylolites (fFigs 4–5) in gypsum cap rock of the Wapno salt diapir are proba-bly early diagenetic structures preserved in a fragment of Zechstein anhydrite of Z2 or Z3 cyclothems. This anhydrite block with stylolites have been carried inside intruding salt masses to the top of Wapno dome. Halite and other easy soluble minerals had been dissolved, but the anhydrites with preserved stylolites have been incorporated in the cap rock and secondary altered into gypsum, similarly to the phenomenon found in Gorleben Salt Dome by Bäuerle et al. (2000).

Key words: stylolites, evaporates, gypsum cap rock, Zechstein, detached block, Wapno Salt Dome

Wysad solny Wapna, jeden z najmniejszych diapirów na Ni¿u Polskim, le¿y na granicy wa³u kujawskiego i niec-ki mogileñsniec-kiej (ryc. 1), w obrêbie mniejszej jednostniec-ki zwanej antyklin¹ Wapna (Jaworski, 1970). Ma on ok. 1000 m d³ugoœci, ok. 600 m szerokoœci i zajmuje pow. ok. 0,5 km2. Cechsztyñska grupa solonoœna (buduj¹ca diapir) zosta³a na tyle silnie zmobilizowana, ¿e ca³kowicie przebi³a utwory mezozoiczne i w znacznej mierze kenozoiczne. Obecnie strop soli znajduje siê bardzo p³ytko, bo ok. 160–180 m p.p.t., podczas gdy sp¹g utworów cechsztyñskich le¿y na g³êbokoœci ok. 6 km (Dadlez i in. [W:]: Po¿aryski, 1974). Diapir solny przykrywa czapa gipsowo-ilasta, bêd¹ca z³o¿onym genetycznie utworem skalnym powsta³ym przede wszystkim z du¿o s³abiej rozpuszczalnego mate-ria³u mineralnego tkwi¹cego w masie solnej, a uwolnione-go z niej w wyniku ³uuwolnione-gowania soli przez wody podziemne — subrozji. Dokumentacje geologiczne (G¹taszewski, 1956; Schlegel i in., 1977) oraz prowadzona eksploatacja soli pozwoli³y ustaliæ, ¿e centraln¹ partiê z³o¿a zajmuje starsza sól kamienna (90% ca³ej masy solnej w diapirze) nale¿¹ca do cyklotemu Stassfurt (Z2). Obok starszej soli kamiennej, która stanowi g³ówn¹ masê wysadu i zajmuje osiow¹ czêœæ diapiru, w zewnêtrznych partiach wysadu wystêpuj¹ m³odsze ogniwa. W czasie wyciskania masy sol-ne uleg³y intensywnym zaburzeniom; powsta³y dysloka-cje, które doprowadzi³y do redukcji poszczególnych ogniw kolejnych cyklotemów i kontaktu ró¿nych soli, z pominiê-ciem nastêpstwa stratygraficznego (Ratajczak, 2000).

Skomplikowan¹ budowê geologiczn¹ wysadu stwier-dzono w profilach chodników górniczych i poziomych wierceñ kopalni soli w Wapnie; warstwy soli ci¹gn¹ siê wzd³u¿ falistych linii o zawi³ym przebiegu (Ratajczak, 2000). Istotne znaczenie dla wewnêtrznej komplikacji budowy wysadu maj¹ wystêpuj¹ce w nim sole potasowe, wykazuj¹ce najwiêksz¹ podatnoœæ na odkszta³cenia i zdol-noœæ do szybkiej rekrystalizacji. Fa³dy obserwowane w wysadzie Wapna maj¹ du¿¹ amplitudê (rzêdu kilkuset metrów); w ich przegubach (zarówno antyklin, jak i

syn-klin) znajduj¹ siê sole potasowe. Inaczej zachowuj¹ siê utwory kruche — anhydryty, które zosta³y porozrywane i w formie ró¿nej wielkoœci porwaków wci¹gniête w migruj¹c¹ masê soli (Ratajczak, 2000), osi¹gaj¹c miejsca-mi stropowe czêœci wysadu Wapna, a nastêpnie wchodz¹c w sk³ad czapy (Jaworska, 2004a i b). Sama czapa ma od 20 do 160 m mi¹¿szoœci, a jej utwory, przykrywaj¹c i otulaj¹c górn¹ powierzchniê diapiru, miejscami wychodz¹ na powierzchniê; czêœciej jednak s¹ przykryte osadami kenozoiku — piaskami, mu³kami, i³ami i glin¹ zwa³ow¹ (Ratajczak, 2001).

Opracowuj¹c zachowany materia³ rdzeniowy (46 pró-bek z 12 otworów; ryc. 2), z czapy gipsowej wysadu

solne-go w Wapnie, zaobserwowa³am w jednej próbce

(pochodz¹cej z otworu 269, z g³êbokoœci 40 m p.p.t.; ryc. 3) widoczne makroskopowo szwy stylolitowe (ryc. 4). Stwierdzenie struktur stylolitowych ma istotne znaczenie, poniewa¿ stanowi wskaŸnik procesu rozpuszczania pod ciœnieniem i ubytku czêœci materia³u, w tym wypadku siarczanowego. Stylolity s¹ czêsto opisywane w ska³ach wêglanowych — g³ównie wapieniach, natomiast w ewapo-ratach wystêpuj¹ wyj¹tkowo. Znam jedynie dwie pozycje, w których odnotowano obecnoœæ stylolitów w cechsz-tyñskich ewaporatach (Peryt i in., 1993 oraz Bäuerle i in., 2000). W otworze Wrzeœnia IG1 wspomniano (Peryt i in., 1993), ¿e w anhydrytach laminowanych reprezentuj¹cych anhydryt dolny (A1d), kontakt miêdzy soczewkami, warstewkami anhydrytu smu¿ystego stanowi rodzaj stylo-litu. Natomiast Bäuerle i in. (2000) szerzej rozwa¿ali pro-blem pochodzenia stylolitów w utworach anhydrytu g³ównego z wysadu solnego Gorleben (Niemcy).

Charakterystyka stylolitów w gipsach czapy

Stylolity w badanej próbce ska³y maj¹ nieregularny przebieg, a niektóre krótkie ich odcinki uleg³y zamazaniu (ryc. 4). Gruboœæ szwów nie przekracza 1 mm (ryc. 5). Obserwacje mikroskopowe wykaza³y, ¿e powierzchnie szwów s¹ miejscem koncentracji trudno rozpuszczalnych sk³adników, g³ównie zwi¹zków ¿elaza i minera³ów ilastych rozproszonych w skale. Ich przebieg nie jest ci¹g³y; szwy miejscami s¹ poprzerywane (na odcinku 1–3 cm) przez neomorficzne kryszta³y gipsu. Oszacowanie iloœci roz-166

Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 2, 2006

*Instytut Geologii UAM, ul Maków Polnych 16, 61-686 Poznañ; veronika@amu.edu.pl

puszczonego gipsu jest praktycznie niemo¿liwe, ze wzglê-du na nieregularnoœæ przebiegu szwów i niewielkie rozmiary próbki. Nie pozwala to na uzyskanie wiarygodnej statystycznie liczby pomiarów. Poniewa¿ nie s¹ czytelne powierzchnie u³awicenia ska³y, orientacjê powierzchni szwów mo¿na okreœliæ jedynie wzglêdem osi rdzenia. K¹t

nachylenia powierzchni stylolitowych wynosi ok. 40–45o.

Wystêpowanie i geneza stylolitów w ewaporatach permskich

Wœród soli diapiru Gorleben zaobserwowano dobrze wykszta³cone, wyraŸne stylolity wystêpuj¹ce w stropowej czêœci anhydrytu g³ównego — w Z3HA11, czyli

Bän-deranhydrit wed³ug szczegó³owej litostratygrafii

opraco-wanej przez Koshmahla (1969) i Bornemanna (1982). Znajduj¹ siê one w warstwie o mi¹¿szoœci do 1 m i s¹ nachylone pod k¹tem ok. 65o

do poziomu; ich przebieg jest równoleg³y do stromego kontaktu anhydrytów i soli. Mikroskopowe obserwacje tych struktur wykaza³y istnie-nie przerw w przebiegu szwów stylolitowych — szwy by³y

„przeciête” przez kryszta³y anhydrytów bêd¹cych pseudo-morfozami po gipsie (Bäuerle i in., 2000). Fakt ten œwiad-czy o tym, ¿e stylolity rozwinê³y siê w gipsach, w trakcie ich rekrystalizacji, zanim uleg³y póŸniejszej, ca³kowitej anhydrytyzacji. Autorzy nakreœlili warunki powstawania stylolitów w gipsach bêd¹cych pierwotnym osadem. Pro-ces ten wymaga:

‘obecnoœci przewarstwieñ innego rodzaju osadów ni¿

siarczany, czyli litologicznej heterogenicznoœci utworów,

‘obecnoœci nadk³adu, którego przyrost mi¹¿szoœci

powoduje wzrost ciœnienia litostatycznego i uruchamia proces rozpuszczania,

‘œrodowiska, w którym gips znajduje siê d³u¿ej w

warunkach balansuj¹cych na granicy miêdzy rozpuszcza-niem pod ciœnierozpuszcza-niem a przejœciem w anhydryt,

‘porowatoœci osadu/ska³, dziêki której istnieje mo¿li-woœci migracji wody dehydratacyjnej, powsta³ej w wyniku anhydrytyzacji ni¿ej wystêpuj¹cych gipsów.

Wed³ug Bäuerlego i in. (2000), w przypadku utworów anhydrytu g³ównego w wysadzie Gorleben proces rozpusz-czania pod ciœnieniem i rozwój stylolitów zosta³

zainicjo-167

Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 2, 2006

0 50 100km SZCZECIN POZNAÑ WROC£AW £ÓD
GDAÑSK

WAPNO

Jurassic kreda Cretaceous

wysady soli permskich Permian salt domes

zasiêg struktur halotektonicznych range of salt tectonics structures uskoki

faults

¬

Ryc. 1. Po³o¿enie wysadu Wapna na tle uproszczonej mapy geologicznej zachodniej Polski, bez utworów kenozoiku, wed³ug Ratajcza-ka (2000)

Fig. 1. Geological sketch map of W Poland, without Cenozo-ic cover, showing location of the Wapno Salt Dome, after Ratajczak (2000)

0 250m

269

otwór 269 borehole 269 badane otwory z czêœciowo zachowanym materia³em wiertniczym partly preserved boreholes inne otwory other boreholes

maksymalny zasiêg czapy gipsowej max. extent of gypsum cap rock zasiêg wysadu solnego na poziomie III (ok. 380 m p.p.t., t.j. –280 m) extent of salt dome on level III (c. 380 m b.g.l., i.e., –280 m)

¬

Ryc. 2. Zasiêg wysadu Wapna pod powierzchni¹, wed³ug Ratajczaka (2000)

Fig. 2. Subsurface range of the Wapno Salt Dome after Ratajczak (2000) showing the location of wells

wany w wyniku oddzia³ywania 125–300 m mi¹¿szoœci nadk³adu — soli cyklotemu Leine. Solanki w stosunkowo porowatych i przepuszczalnych, stropowych warstwach gipsów (nale¿¹cych do anhydrytu g³ównego) by³y rozcieñ-czane wod¹ z dehydratyzacji ni¿ej le¿¹cych gipsów, zastê-powanych szybko przez zbity anhydryt. To spowodowa³o

przypuszczalnie opóŸnienie procesu anhydrytyzacji,

pozwalaj¹c najpierw na rozwój stylolitów. Ni¿ej wystê-puj¹ce anhydryty tego poziomu s¹ pozbawione szwów

sty-lolitowych. Mo¿na to wyt³umaczyæ wczesnym

pozbawieniem tych ska³ porowatoœci — dróg migracji roz-tworów (chlorków) sprzyjaj¹cych rekrystalizacji — i/lub wczesn¹ anhydrytyzacj¹ przez dop³yw roztworów z ni¿ej le¿¹cych soli Stassfurtu; anhydrytyzacja nast¹pi³a zanim ciê¿ar nadk³adu zdo³a³ uruchomiæ proces stylolityzacji (Bäuerle i in., 2000).

Szczegó³owe badania stylolitów z wysadu Gorleben, wystêpuj¹cych w sta³ej pozycji litostratygraficznej w wie-lu otworach wiertniczych, pozwoli³y oszacowaæ iloœæ roz-puszczonego materia³u skalnego, na podstawie pomiarów maksymalnych amplitud szwów stylolitowych widocz-nych w rdzeniu. Obliczenia te wykaza³y, ¿e rozpuszczeniu uleg³o co najmniej 26% ska³y (Bäuerle i in., 2000).

Dyskusja i wnioski

Struktury stylolitowe, stwierdzone w próbkach gipsów z czapy wysadu solnego Wapna, mog³y powstaæ w dwojaki sposób — ju¿ po uformowaniu czapy (np. w wyniku roz-puszczenia czêœci gipsów pod wp³ywem ciê¿aru nadk³adu) lub du¿o wczeœniej i w innym miejscu, a czapa gipsowa stanowi dla nich wtórne z³o¿e.

Zastanawiaj¹c siê nad genez¹ tych struktur nale¿y zwróciæ uwagê na kilka faktów:

‘szwy stylolitowe zawiera tylko jedna, niedu¿a

prób-ka z 46. badanych fragmentów rdzeni, co œwiadczy o ich rzadkoœci,

168

Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 2, 2006

0 (m) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 glina zwa³owa sandy till mu³ek silt piasek drobny fine-grained sand piasek œredni medium-grained sand

porwaki ska³y gipsowej w piasku gypsum debris in sand

gruz gipsowy eluvial gypsum grit

czapa ilasto-gipsowa gypsum-clay cap rock

czapa gipsowa gypsum cap rock

próbka z stylolitami sample with stylolites

Ryc. 3. Profil otworu 269 z zaznaczonym miejscem wystêpowa-niem stylolitów

Fig. 3. Profile of the borehole 269 with location of stylolites indicated

STYLOLIT STYLOLITE

0 1 2 3 4 5cm

Ryc. 4. Fragment rdzenia czapy gipsowej (otwór 269, g³êbokoœæ 40 m p.p.t.) z widocznymi szwami stylolitowymi

Fig. 4. Fragment of core from the well no 269 with visible stylolites in gypsum cap rock; macroscopic view (depth 40 m below land surface)

STYLOLIT STYLOLITE

1mm

Ryc. 5. Obraz makroskopowy szwu stylolitowego

Fig. 5. Microscopic view of stylolite in the same gypsum rock sample

‘proces stylolityzacji nie móg³ nast¹piæ w czasie two-rzenia siê czapy (lub po powstaniu czapy) z racji zbyt ma³ego obci¹¿enia (ciœnienia litostatycznego) gipsów utworami nadk³adu powoduj¹cymi uruchomienie rozpusz-czania ska³ (próbka pochodzi z g³êbokoœci 40 m),

‘wychylenie szwów stylolitowych (pod k¹tem

40–45o

) jest trudne do wyt³umaczenia przy za³o¿eniu ich genezy w okresie formowania czapy.

To wychylenie z pierwotnie poziomego u³o¿enia szwów œwiadczy o wczeœniejszym oddzia³ywaniu na te ska³y (ale ju¿ po powstaniu stylolitów) naprê¿eñ tektonicz-nych. Zatem próbka ska³y gipsowej ze stylolitami nie mog³a powstaæ w okresie formowania czapy gipsowej, lecz du¿o wczeœniej.

Najprawdopodobniej pierwotnym materia³em, w któ-rym rozwinê³y siê te szwy stylolitowe, by³ póŸnopermski, porowaty osad gipsowy poddany nastêpnie procesowi anhydrytyzacji (jeszcze w póŸnym permie). Zast¹pienie gipsu anhydrytem nie spowodowa³o zatarcia stylolitów. W wyniku wydŸwigniêcia mas solnych tworz¹cych dzisiejszy wysad Wapna, a wraz z nimi fragmentów ska³ siarczano-wych (ju¿ anhydrytów), utwory te znalaz³y siê w strefie potencjalnego oddzia³ywania wód podziemnych; wówczas to mog³o dojœæ do ponownego przeobra¿enia siarczanów, w tym wypadku przejœcia anhydrytu w gips, i powstania neomorficznych ziaren gipsu, które czêœciowo zdeformo-wa³y, poprzerywa³y i „rozmaza³y” szwy stylolitowe.

Przypuszczalnie próbka ska³y gipsowej zawieraj¹ca szwy stylolitowe jest fragmentem któregoœ z kompleksów siarczanowych cechsztynu, np. anhydrytu podstawowego (Z2) lub anhydrytu g³ównego (Z3), wyniesionym razem z solami tworz¹cymi diapir.

Je¿eli przedstawiona powy¿ej hipoteza jest s³uszna, to opisana próbka ska³y gipsowej ze stylolitami stanowi bez-poœredni dowód na mo¿liwoœæ wynoszenia (nawet z du¿ych g³êbokoœci) i zachowania w cia³ach solnych (a po ich rozpuszczeniu — w powsta³ym rezyduum — w cza-pach gipsowo-ilastych przykrywaj¹cych wysady) porwa-ków ska³ siarczanowych (w tym wypadku cechsztyñskich) z widocznymi strukturami wczesnodiagenetycznymi. Co ciekawe, póŸniejsze przeobra¿enia którym te ska³y podle-ga³y (rozpuszczanie, anhydrytyzacja, gipsyfikacja) nie spowodowa³y ca³kowitego zatarcia pierwotnych struktur i

mimo z³o¿onoœci przemian, które siê na siebie nak³ada³y, jest mo¿liwe „odczytanie” skomplikowanej historii tych ska³.

Serdecznie dziêkujê Panu prof. dr. hab. J. G³azkowi za pomoc w przygotowaniu artyku³u, dr. R.M. Ratajczakowi za udo-stêpnienie materia³ów i map ze swojej pracy doktorskiej oraz mgr. W. Sza³apiecie za wykreœlenie rycin. Przedstawione wyniki obserwacji stanowi¹ fragment pracy doktorskiej, czêœciowo finansowanej przez Komitet Badañ Naukowych (nr grantu 0385/PO4D 008421).

Literatura

BÄUERLE G., BORNEMANN O., MAUTHE F. & MICHALZIK D. 2000 — Turbidite, Breccien und Kristallrasen am Top des Hauptanhy-drits (Zechstein 3) des Saltzstocks Gorleben. Z. dt. geol. Ges., 151: 39–125.

BORNEMANN O. 1982 — Stratigraphie und Tektonik des Zechsteins im Saltzstock Gorleben auf Grund der Bohrergebnisse. Z. dt. geol. Ges., 133: 119–134.

DADLEZ R., MAREK S. & RACZYÑSKA A. 1974 — Struktury epo-ki tektonicznej alpejsepo-kiej — Polska pó³nocno-zachodnia i œrodkowa [W:] W. Po¿aryski (red.) — Budowa geologiczna Polski, 4, cz. 1, Instytut Geologiczny. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. G¥TASZEWSKI L. 1956 — Dokumentacja geologiczna z³o¿a soli kamiennej. Maszynopis, Arch. Zarz¹du Przemys³u Solnego w Krakowie. JAWORSKA J. 2004a — Automorficzne kryszta³y kwarcu z wysadu solnego Wapna. Prz. Geol., 52: 64–68.

JAWORSKA J. 2004b — Geneza utworów czapy gipsowej wysadu sol-nego Wapna. Maszynopis pracy doktorskiej. Biblioteka UAM, Poznañ. JAWORSKI A. 1970 — Budowa geologiczna Wapna na tle wyników badañ sejsmicznych. Prz. Geol., 18: 90–95.

KOSMAHL W. 1969 — Zur Stratigraphie, Petrographie, Paläographie, Genese und Sedimentation des Gebänderten Anhydrits (Zechstein 2), Grauen Saltztons und Hauptanhydrits (Zechstein 3) in Nordwestdeut-schland. Geol. Jb. Beiheft 71.

PERYT T.M., ORTI F. & ROSELL L. 1993 — Sulfate platform–basin transition of the lower Werra anhydrite (Zechstein, upper Permian), western Poland: facies and petrography. J. Sed. Petrol., 63: 646–658. RATAJCZAK R. 2000 — Budowa geologiczna i problemy ochrony œro-dowiska wysadu solnego Wapna w Wielkopolsce. Maszynopis pracy doktorskiej. Biblioteka UAM, Poznañ.

RATAJCZAKR. 2001 — Budowa geologiczna i problemy ochrony œro-dowiska wysadu solnego Wapna w Wielkopolsce. Streszczenia ref. OP PTG. Inst. Geol. UAM, Poznañ, 10:123–131.

SCHLEGEL J., ZI¥BKA Z., KACZMARCZYK E., KOLASA T., TATKA E., ŒLIZOWSKA E., TARCZYÑSKI R.& SOKALSKI I. 1977 — Doku-mentacja geologiczna z³o¿a soli kamiennej „Wapno”. Maszynopis, Arch. Oœrodka Badawczo-Rozwojowego Górnictwa Surowców Che-micznych w Krakowie.

169

Przegl¹d Geologiczny, vol. 54, nr 2, 2006