Wstêpna charakterystyka mineralogiczna czarnych ³upków antrakozjowych
z obszaru synklinorium œródsudeckiego
Patrycja Wójcik-Tabol
1, Jolanta D¹bek
1, Grzegorz J. Nowak
2Preliminary mineralogical characteristics of the Anthracosia Shales from the Intra-Sudetic Synclinorium. Prz. Geol., 69: 389–392; doi: 10.7306/2021.23
A b s t r a c t. Anthracosia Shales within the Pennsylvanian–Lower Permian continental succession from the Intra-Sudetic Synclinorium are lacustrine sediments, represented by black shales intercalated with sandstones/mudstones. Mineral composition of each lithology consists of quartz, feldspar, mica, clay minerals (including kaolinite, the content of which decreases upward the sec-tion), and carbonates (calcite and siderite). The section is a continuous record of reduction and rise in terrigenous input. Mineral detritus is least weathered in the uppermost part of the Anthracosia Shales. The sedimenta- tion occurred under dysoxic conditions that were ventilated by bottom currents.
Keywords: Carbon, Intra-Sudetic Synclinorium, lacustrine black shales, siderite, kaolinite
W wyniku orogenezy waryscyjskiej dosz³o do rozwoju licznych kontynentalnych basenów centralnej Europy. Je-ziora s¹ powszechnie spotykanym elementem œrodowisk kontynentalnych, a ich obecnoœæ zosta³a zaznaczona kar-boñsko-permskimi ³upkami jeziornymi znanymi m.in. z obszarów Czech (Lojka i in., 2010) i Polski (Dziedzic, 1961; Mastalerz, Nehyba, 1997). Facje jeziorne wystêpu-j¹ce w karboñsko-permskiej sukcesji synklinorium œródsu-deckiego s¹ znane jako ³upki antrakozjowe. Ze wzglêdu na wzbogacenie w materiê organiczn¹ (MO) dotychczasowe badania ³upków antrakozjowych skupia³y siê na petrolo-gicznej klasyfikacji MO oraz próbie oszacowania ich po-tencja³u wêglowodorowego na podstawie wyników badañ petrograficznych, palinologicznych i geochemicznych materii organicznej (Nowak, 1998, 2003, 2007, 2011).
£upki antrakozjowe z synklinorium œródsudeckiego (SŒ) nie by³y dotychczas badane metodami mineralogicz-no-geochemicznymi, których wyniki, w korelacji z wy-nikami przeprowadzonych badañ materii organicznej, mog³yby siê przyczyniæ do bardziej szczegó³owego rozpo-znania œrodowiska (subœrodowisk) ich powstania. W tym celu podjêto badania sk³adu mineralnego ska³ poziomu ³upków antrakozjowych, w tym facji czarnych ³upków, dla których wczeœniej wykonano badania MO oraz ska³ ni¿ej i wy¿ej leg³ych. Wyniki badañ zawartoœci minera³ów wêglanowych metod¹ Scheiblera uszczegó³owiono wyni-kami dyfraktometrii rentgenowskiej i skorelowano z war-toœciami podatnoœci magnetycznej.
BUDOWA GEOLOGICZNA
Odwiercony otwór Rybnica Leœna PIG 1 jest zlokalizo-wany na obszarze SŒ, bêd¹cego synklinaln¹ jednostk¹ o przebiegu NW–SE (ryc. 1). Powstanie opisywanej jed-nostki geologicznej jest zwi¹zane z orogenez¹ waryscyj-sk¹, a jej ostateczne ukszta³towanie jest wynikiem ruchów póŸnoalpejskich.
Synklinorium œródsudeckie wype³niaj¹ ska³y karbonu, permu, triasu i górnej kredy, pomiêdzy którymi wystêpuj¹ liczne luki stratygraficzne oraz lokalne niezgodnoœci k¹-towe (Nemec i in., 1982). £upkami antrakozjowymi nazy-wane s¹ facje jeziorne wystêpuj¹ce w obrêbie l¹dowej suk-cesji wulkaniczno-osadowej pensylwanu i dolnego permu (Awdankiewicz i in., 2003; Bossowski, Ihnatowicz, 2006). £upki antrakozjowe s¹ zaliczane do najwy¿szego pennsyl-wanu lub najni¿szego autunu, chocia¿ ich dok³adny wiek wci¹¿ stanowi przedmiot dociekañ naukowych (Górecka, 1981; Jerzykiewicz, 1987; Górecka-Nowak, 1989, 1995). Tradycyjnie wyodrêbniane dwa poziomy ³upków antrako-zjowych nie wystêpuj¹ we wszystkich profilach sekwencji pensylwañsko-permskiej. Nie tworz¹ te¿ regularnych horyzontów, wystêpuj¹ raczej jako p³askie cia³a soczewko-wate o zmiennej mi¹¿szoœci od 20 cm do 70 m (œrednio kil-ka metrów) i ograniczonej rozci¹g³oœci.
£upki antrakozjowe sk³adaj¹ siê z naprzemiennych sza-rych piaskowców/mu³owców i ³upków ilastych (Dziedzic, 1961; Bossowki, Ihnatowicz, 1994). W opisywanych ska-³ach stwierdzono równie¿ cienkie warstwy wêgla oraz wk³adki wapieni bitumicznych. Cech¹ charakterystyczn¹ ³upków antrakozjowych jest ich szaroczarna barwa, która wynika ze stosunkowo wysokiej zawartoœci materii orga-nicznej.
MATERIA£ I PROCEDURY BADAWCZE
Obiektem wykonanych badañ mineralogicznych by³y ³upki antrakozjowe nawiercone w otworze wiertniczym Rybnica Leœna PIG 1 w pó³nocno-wschodnim skrzydle synklinorium œródsudeckiego (ryc. 1), w interwale 95,00– 156,50 m. Ni¿ej leg³e ska³y piaskowca p³ytowego wraz z ³upkami antrakozjowymi nale¿¹ do formacji z Ludwiko-wic. Wiek formacji zosta³ palinologicznie okreœlony na ste-fan C (Górecka-Nowak, 2011). Na ³upkach antrakozjowych zalega poziom zlepieñców kwarcowych formacji z
Krajano-389
Przegl¹d Geologiczny, vol. 69, nr 6, 2021; http://dx.doi.org/10.7306/2021.23
P. Wójcik-Tabol J. D¹bek G.J. Nowak
1
Instytut Nauk Geologicznych, Uniwersytet Jagielloñski, Gronostajowa 3a, 30-387 Kraków; p.wojcik-tabol@uj.edu.pl; jolan-ta.dabek@doctoral.uj.edu.pl
2
Pañstwowy Instytut Geologiczny – Pañstwowy Instytut Badawczy, Oddzia³ Dolnoœl¹ski we Wroc³awiu, al. Jaworowa 19, 53-122 Wroc³aw; gnow@pgi.gov.pl
wa (ryc. 2A). Nawiercony poziom ³upków antrakozjowych o mi¹¿szoœci 61,50 m jest zbudowany z laminowanych, szarych i³owców i mu³owców z licznymi przewarstwie-niami piaskowców drobno- i œrednioziarnistych, warstwo-wanych poziomo i smu¿yœcie oraz ¿ó³tawych syderytów (ryc. 2B–E).
Uzyskane wyniki pomiarów refleksyjnoœci witrynitu dla poziomu ³upków antrakozjowych dolnych z otworu Rybnica Leœna PIG 1 zawieraj¹ siê w przedziale wartoœci
Ro witrynitu pomiêdzy 0,53 a 0,73%. Wartoœci te
wska-zuj¹, ¿e materia organiczna osi¹gnê³a stopieñ dojrza³oœci termicznej odpowiadaj¹cy dolnej czêœci okna ropnego.
Poziom ³upków antrakozjowych zosta³ w ca³oœci opró-bowany. £¹cznie pobrano 28 próbek materia³u skalnego, reprezentuj¹cych ka¿dy typ litologiczny. Wszystkie próbki poddano badaniu podatnoœci magnetycznej oraz analizie zawartoœci minera³ów wêglanowych metod¹ Scheiblera (B¹k, 1992), 20 próbek wytypowano do jakoœciowej anali-zy XRD. Badania laboratoryjne wykonano w Instytucie Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagielloñskiego.
Podatnoœæ magnetyczna (MS) zosta³a zmierzona za pomoc¹ magnetometru SM-30 firmy ZH Instruments. Dla ka¿dej próbki wykonano trzy pomiary, które nastêpnie uœredniono.
Analizê zawartoœci minera³ów wêglanowych przepro-wadzono metod¹ Scheiblera z u¿yciem kalcymetru firmy Eijkelkamp. To analiza wolumetryczna, w której zawartoœæ wêglanów oblicza siê na podstawie objêtoœci dwutlenku wêgla uwalnianego przez minera³y wêglanowe traktowane roztworem kwasu solnego. Ze wzglêdu na obecnoœæ syde-rytu czas reakcji wyd³u¿ono.
Analiza sk³adu mineralnego zosta³a wykonana z zasto-sowaniem dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD). Badania przeprowadzono z u¿yciem dyfraktometru Philips X’Pert APD, wyposa¿onego w pionowy goniometr PW3020 i mo-nochromator grafitowy. Zastosowano promieniowanie CuKa, przy napiêciu przyspieszaj¹cym 40 kV i natê¿eniem pr¹du ¿arzenia katody 30 mA. Pomiaru dokonano w zakre-sie k¹towym wynosz¹cym 2–65° 2Q z prêdkoœci¹ 0,02°/s.
WYNIKI
W profilu pionowym badanych ³upków antrakozjo-wych dolnych wyodrêbniaj¹ siê trzy interwa³y, ró¿ni¹ce siê cechami litologicznymi (ryc. 3A). G³ówne minera³y ka¿de-go z typów litologicznych to kwarc, skalenie, mika oraz minera³y ilaste, którym w zmiennych iloœciach towarzysz¹ minera³y wêglanowe, reprezentowane przez kalcyt i syde-ryt (ryc. 3C–D).
Dolny interwa³ badanego profilu (ok. 10 m) charakte-ryzuje siê œrednimi zawartoœciami minera³ów wêglano-wych (16 g/kg). Œrodkowy interwa³ (ok. 20 m) obejmuje i³owce wapniste (mediana zawartoœci minera³ów wêglano-wych wynosi 169 g/kg, n = 7). Górnym interwa³em (ok. 30 m) s¹ s³abo wapniste mu³owce i piaskowce (mediana zawartoœci minera³ów wêglanowych wynosi 9 g/kg, n = 18) (ryc. 3A).
Minera³y ilaste w badanym profilu s¹ reprezentowane przez illit i fazê mieszanopakietow¹ zawieraj¹c¹ pakiety pêczniej¹ce. Kaolinit i chloryt s¹ obecne w wiêkszoœci próbek, z wyj¹tkiem najwy¿szej czêœci poziomu ³upków antrakozjowych, gdzie zanikaj¹. Syderyt wystêpuje pow-szechnie w badanych ³upkach, lecz szczególnie wyraŸnie 390
Przegl¹d Geologiczny, vol. 69, nr 6, 2021
Ryc. 1. Uproszczona mapa geologiczna synklinorium œródsudeckiego Fig. 1. Generalized geological map of the Intra-Sudetic Synclinorium
jego obecnoœæ zaznacza siê w górnym interwale badanych ³upków antrakozjowych (ryc. 3C–D).
W interwale ³upków antrakozjowych wartoœci podat-noœci magnetycznej zawieraj¹ siê w przedziale od 0,107 do 0,389´ 10–6
IS i koreluj¹ siê negatywnie z zawartoœciami minera³ów wêglanowych (ryc. 3B). Mo¿e to mieæ zwi¹zek z malej¹c¹ iloœci¹ materia³u detrytycznego dostarczanego do zbiornika na rzecz rosn¹cej zawartoœci faz wêglano-wych (Grabowski i in., 2016) wytr¹canych w œrodowisku jeziornym.
Obecnoœæ syderytu œwiadczy o warunkach dysoksycznych. Jego powszechnoœæ w facjach jeziornych jest interpretowana jako wskaŸnik precypitacji synsedymentacyjnej lub wczesno-diagenetycznej z wód niskosiarczanowych ot-wartego jeziora lub jeziora zamkniêtego o nis-kim zasoleniu. Geneza syderytów w karboñskich oraz wspó³czesnych facjach jeziornych jest wi¹-zana z procesem redukcji tlenkowych zwi¹zków Fe naniesionych do zbiornika, a powsta³ych wskutek intensywnego wietrzenia chemicznego w œrodowisku l¹dowym (Lojka i in., 2010).
Zawartoœæ kaolinitu w osadzie jest czêsto podstaw¹ do wyci¹gania wniosków dotycz¹cych warunków paleoklimatycznych, poniewa¿ pro-ces kaolinityzacji wi¹¿e siê z zaawansowanym rozk³adem chemicznym pierwotnych glinokrze-mianów w œrodowisku wilgotnym (Chamley, 2013; Grabowski i in., 2021).
PODSUMOWANIE I G£ÓWNE WNIOSKI
W badanym profilu ³upków antrakozjowych jest widoczna zmieniaj¹ca siê intensywnoœæ dostawy materia³u terygenicznego z minimum w interwale wapnistych i³owców.
Sk³ad mineralny materia³u terygenicznego sugeruje, ¿e zbiornik sedymentacyjny znajdo-wa³ siê w strefie klimatu, który sprzyja³ inten-sywnemu wietrzeniu chemicznemu – s³abn¹ce-mu z czasem, na co wskazuje zmniejszaj¹ca siê w górê profilu obecnoœæ kaolinitu.
Depozycja ³upków antrakozjowych odby-wa³a siê na ogó³ w warunkach deficytu tlenowe-go, o czym œwiadczy niezaburzona laminacja oraz obecnoœæ syderytu. Do przewietrzania œro-dowiska dennego mog³o dochodziæ wskutek oddzia³ywania natlenionych pr¹dów zawiesino-wych, nios¹cych i deponuj¹cych detrytus war-stewek pylastych i piaskowcowych.
Autorzy sk³adaj¹ podziêkowania dr hab. Kata-rzynie Jarmo³owicz-Szulc oraz anonimowemu Recen-zentowi za cenne uwagi. Badania sfinansowano z funduszy przyznanych przez Wydzia³ GiG UJ na dzia³alnoœæ naukow¹ uczestników studiów dokto-ranckich oraz subwencji ING UJ w 2020 r.
LITERATURA
AWDANKIEWICZ M., KUROWSKI L., MASTALERZ K., RACZYÑSKI P. 2003 – The Intra-Sudetic Basin – a record of sedimentary and volcanic processes in late- to post-oro-genic tectonic setting. Geolines, 16: 165–183.
B¥K K. 1992 – Mo¿liwoœci zastosowania metody Sche-iblera w badaniach zawartoœci wêglanu wapnia w litych ska³ach wêglanowych. Rocz. Nauk.-Dydakt. 151, Pr. Geo-gr., 14: 131–139.
BOSSOWSKI A., IHNATOWICZ A. 1994 – Palaeogeography of the uppermost Carboniferous and lowermost Permian deposits in the NE part of the Intra-Sudetic Depression. Geol. Quart., 38: 709–726.
BOSSOWSKI A., IHNATOWICZ A. 2006 – Atlas geologiczny Dolno-œl¹skiego Zag³êbia Wêglowego 1:100 000. Pañstw. Inst. Geol., Warszawa. CHAMLEY H. 2013 – Clay sedimentology. Springer Science & Business Media.
DZIEDZIC K. 1961 – Utwory dolnopermskie w niecce œródsudeckiej. Stud. Geol. Polon., 6: 1–121.
GÓRECKA T. 1981 – Results of palynological studies of the Youngest Carboniferous of the Lower Silesia (in Polish). Pr. Nauk. Inst. Górn. PWr., Monogr., 19: 1–58.
391
Przegl¹d Geologiczny, vol. 69, nr 6, 2021
Ryc. 2. A – profil litostratygraficzny formacji z Ludwikowic z poziomem ³upków antrakozjowych wraz z nadleg³¹ formacj¹ z Krajanowa w otworze Rybnica Leœna. Zdjêcia: B – zielonkawy, plamisty mu³owiec z interwa³u III; C – warstew-ka py³owca i ciemnoszary mu³owiec z warstewwarstew-kami syderytowymi z interwa³u II; D – laminowany ciemnoszary mu³owiec wapnisty z syderytem z interwa³u II; E – czarny ³upek z interwa³u II. Interwa³y zaznaczone na ryc. 3A
Fig. 2. A – litostratigraphic log of the Ludwikowice Formation including the Anthracosia Shales and overlying Krajanów Formation in the Rybnica Leœna well. Photographs: B – greenish spotty mudstone, interval III; C siltstone layer and dark gray mudstone with sideritic layers, interval II; D laminated dark gray calcareous mudstone with siderite, interval II; E black shale, interval II. Intervals marked at Fig. 3A
GÓRECKA-NOWAK A. 1989 – Late Carboniferous spore-pollen assem-blages of the Unis³aw IG-1 borehole (in Polish). Pr. Nauk. Inst. Górn. PWr., 52, Stud. i Mater., 19: 51–57.
GÓRECKA-NOWAK A. 1995 – Palynostratigraphy of the Westphalian deposits of the nort western part of the Intrasudetic Basin (in Polish, English abstract). Acta Univ. Wratisl. Pr. Geol.-Miner., 40: 1–156. GÓRECKA-NOWAK A. 2011 – Wyniki kompleksowych badañ palino-logicznych próbek z otworów wiertniczych A i B Rybnica Leœna PIG 1 i Œcinawka Œrednia PIG 1. [W:] Nowak G.J., Zintegrowany program p³ytkich wierceñ badawczych dla rozwi¹zania istotnych problemów budo-wy geologicznej Polski. Pkt. planu 219100.0501.00.0. Problem 7: Rozpo-znanie petrologiczno-geochemiczne materii organicznej w osadach ma-cierzystych dla wêglowodorów z obszaru niecek sudeckich. Nar. Arch. Geol. Pañstw. Inst. Geol., Oddz. Dolnoœl. Wroc³aw, nr arch. I: 12/2012. GRABOWSKI J., LAKOVA I., PETROVA S., STOYKOVA K., IVANOVA D., WÓJCIK-TABOL P., SOBIEN K., SCHNABL P. 2016 – Paleomagnetism and integrated stratigraphy of the Upper Berriasian hemipelagic succession in the Barlya section Western Balkan, Bulgaria: Implications for lithogenic input and paleoredox variations. Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol., 461: 156–177.
GRABOWSKI J., STOYKOVA K., WIERZBOWSKI H., WÓJCIK--TABOL P. 2021 – Upper Berriasian chemostratigraphy, clay minerals and calcareous nannofossils of the Barlya section (Western Balkan, Bul-garia): Implications for palaeoclimate and productivity changes, and stra-tigraphic correlations across the Alpine Tethys. Palaeogeogr., Palaeo-climatol., Palaeoecol., doi: doi.org/10.1016/j.palaeo.2021.110252 JERZYKIEWICZ J. 1987 – Latest Carboniferous (Stephanian) and Early Permian (Autunian) palynological assemblages from the intrasudetic basin, southwestern Poland. Palynology, 11: 117–131.
LOJKA R., SÝKOROVÁ I., LAURIN J., MATYSOVÁ P., MATYS-GRYGAR T. 2010 – Lacustrine couplet-lamination: evidence for Late Pennsylvanian seasonality in central equatorial Pangaea (Stephanian B, Mšec Member, Central and Western Bohemian basins). Bull. Geosci., 85 (4): 709–734.
MASTALERZ K., NEHYBA S. 1997 – Comparison of Rotliegende lacu-strine depositional sequences from the Intrasudetic, Northsudetic and Boskovice basins (Central Europe). Geol. Sudet., 30: 21–58.
NEMEC W., PORÊBSKI S., TEISSEYRE A.K. 1982 – Explanatory notes to the lithotectonic molasse profile of the Intra-Sudetic Basin, Polish Part. Veröffentlichungen des Zentralinstituts für Physik der Erde, Akademie der Wissenschaften der DDR, 66: 267–278.
NOWAK G.J. 1998 – Microscopic identification and classification of organic matter of the Upper Carboniferous Anthracosia Shales, Intra-Su-detic Depression, southwestern Poland. Geol. Quart., 42: 41–58. NOWAK G.J. 2003 – Petrologia materii organicznej rozproszonej w póŸ-nopaleozoicznych ska³ach osadowych po³udniowo-zachodniej Polski. Cuprum, 4 (29): 3–209.
NOWAK G.J. 2007 – Comparative studies of organic matter petrography of the late palaeozoic black shales from Southwestern Poland. Int. J. Coal Geol., 71: 568–585.
NOWAK G.J. 2011 – Zintegrowany program p³ytkich wierceñ badaw-czych dla rozwi¹zania istotnych problemów budowy geologicznej Polski. Pkt. planu 219100.0501.00.0. Problem 7: Rozpoznanie petrologiczno-geo-chemiczne materii organicznej w osadach macierzystych dla wêglowod-orów z obszaru niecek sudeckich. Nar. Arch. Geol. Pañstw. Inst. Geol., Oddz. Dolnoœl. Wroc³aw, nr arch. I: 12/2012.
Praca wp³ynê³a do redakcji 15.02.2021 r. Akceptowano do druku 30.04.2021 r.
392
Przegl¹d Geologiczny, vol. 69, nr 6, 2021
Ryc. 3. Zró¿nicowanie mineralogiczne w profilu ³upków antrakozjowych. A – krzywe zmiennoœci zawartoœci mine-ra³ów wêglanowych i wartoœci podatnoœci magnetycznej; B – diagram zale¿noœci zawartoœci minemine-ra³ów wêglanowych wzglêdem wartoœci podatnoœci magnetycznej; C, D – dyfraktogramy próbek ca³ej ska³y szarego mu³owca z interwa³u III (C) i wapnistego czarnego ³upka ilastego z interwa³u II (D). I, II, III – interwa³y litologiczne; K – kaolinit, Ch – chlort, M – mika, I/S – faza mieszanopakietowa zawieraj¹ca pakiety pêczniej¹ce, Q – kwarc, F – skaleñ, C – kalcyt, S – syderyt Fig. 3. Vertical alteration in mineral composition through the Anthracosia Shales section. A – distribution of carbonate contents and magnetic suscaptibility; B – diagram of relationship between carbonate contents and magnetic susceptibility; C, D – X-ray patterns of bulk rock samples of grey mudstone from interval III (C) and marly black shale from interval II (D). I, II, III – lithological intervals, K – kaolinite, Ch – chlorite, M – mica, I/S – mixed-layer clay minerals containing swelling layers, Q – quartz, F – feldspar, C – calcite, S – siderite
