Petrology of the teschenitic rock series from the type area of Cieszyn (Teschen) in the Polish Carpathians

Abstract

Petrologia skał cieszynitowych z okolic Cieszyna Niniejsze studium jest poświęcone mineralogicznym, petrograficznym i geochemicznym badaniom cieszynitów i skał pokrewnych, występujących przeważnie w postaci drobnych ciał intruzywnych w karpackich osadach kredowych. Skały te odsłonięte są przede wszystkim w trzech najniższych poziomach stratygraficznych jednostki cieszyńskiej (tytoń - dolna kreda) tworzącej płaszczowinę cieszyńską. Są to: łupki dolno- i górnocieszyńskie. Skały regionu Cieszyna wykazują znaczne zróżnicowanie pod względem własności mineralogicznych i petrograficznych, dlatego też zaproponowano dość szeroką klasyfikację na podstawie składu mineralnego i własności strukturalnych skał. Według tej klasyfikacji skały zostały podzielone na trzy grupy: melanokratyczne, mezokratyczne i leukokratyczne. Dla skał melanokratycznych współczynnik barwy jest większy od 60, a struktura jest porfirowo-witrofirowa (zależnie od ilości szkliwa). Dla skał mezokratycznych współczynnik barwy waha się od 30 do 60, a struk tura staje się gruboziarnista gabroidowa lub subofitowa do subhialofitowa (zależnie od ilości szkliwa). Dla skał leukokratycznych współczynnik barwy jest mniejszy od 30, natomiast struktura zmienia się od intergranularnej do intersertalnej (zależnie od ilości szkliwa). Podział skał w, obrębie jednej grupy opiera się na względnych proporcjach składników mineralnych. Grupa sikał melanokratycznych obejmuje porfiry limburgitowe i lamprofiry, których rozróżniamy trzy rodzaje, a mianowicie monczykity, kamptonity i furchity. Zdarza się, że te ostatnie zawierają większą ilość biotytu, przez co upodabniają się do ouachitytów. Grupa mezokratyczna obejmuje diabazy i cieszynity. ‘Wśród cieszynitów, stanowiących główną podgrupę w badanych seriach skalnych, można wyróżnić cieszynity teralityczne, jeśli plagioklazy przeważają nad zasadowym skaleniem, oraz monzonityczne, gdy występuje relacja odwrotna. Głównym składnikiem mineralnym skał występujących w rejonie Cieszyna jest piroksen: zwykły augit, augit tytanowy i nowa odmiana zielonego augitu żelazawo-żełazowego. Sjenit nefelinowy, analcytowy, zasadowy i kwarcowy składają się na trzecią grupę skał leukokratycznych. W grupie skał melanokratycznych kryterium rozróżniania skał stanowią głównie minerały ciemne, to jest przede wszystkim pirokseny, podczas gdy cieszynity, należące do skał mezokratycznych, sklasyfikowane są na podstawie zawartości, jednego z rodzajów skalenia. Pirokseny odegrały bardzo istotną rolę w procesie tworzenia się tych skał. Augit zwyczajny występuje tylko w diabazach, augit tytanowy jest szeroko rozpowszechniony jako podstawowy Składnik wszystkich . skał melanokratycznych i cieszynitów, a augit żelazawo—żelazowy, odmiana dotychczas nie opisana w literaturze,, spotykany jest w żyłach sjenitu nefelinowego. Ten ostatni pirokfeen, charakterystyczny z powodu wysokiego stosunku Fe(2)O(3) do FeO i małej zawartości alkaliów, dostarcza, wraz z innymi składnikami mineralnymi, przekonywających dowodów do poparcia wniosków petrogenetycznych, do których doszedłem w wyniku przeprowadzonych badań. Augit żelazawo-żelązowy, podobnie jak poprzedzające go augity tytanowe, wykrystalizował z magmy nie nasyconej w krzem, w warunkach stopu uwodnionego, co sprzyjało utlenieniu. Niedostatek krzemu mógł być wobec tego skompensowany nie tylko przez Al i Ti, lecz również przez trójwartościowe żelazo, odgrywające z tego powodu głównie podwójną rolę w tym piroksenie: 1) Zastępuje ono krzem w koordynacji tetraedrycznej. 2) Stanowi czynnik kompensujący ładunek pozycji oktaedrycznych przy podstawianiu czterowartościowego krzemu w tetraedrach przy Fe3+. Amfibole stanowią drugi pod względem ważności ciemny minerał spotykany w badanych skałach. Występuje on w pokaźnych ilościach w kamptonitach a także w cieszynitach; Amfibole te powstały jako wynik amfibolizacji piroksenów. Pomimo że główną odmianą amfiboli w cieszynitach i niektórych lamprofirach jest lamprobolit, dla innych lamprofirów, na przykład kamptonitów, charakterystyczny jest barkewikit. Z przeprowadzonych badań wynika, że ruda żelaza, zasadniczo tytanomagnetyczna, jest często zmaghemityzowana, także w niektórych skałach, takich jak cieszynity, występuje wyłącznie maghemit tytanowy. Jeśli chodzi o biotyt, to natrafiamy na jego większe ilości jedynie w limburgitach, furchitach i sjenitach. Oliwin, zawsze przeobrażony w saponit, znajduje się tylko w limburgitach i monczy'kitach. Plagioklaz, o składzie wahającym się od andezytu do latoradorytu jest najobficiej występującym jasnym minerałem skał melanokratycznych podczas gdy niskotemperaturowy albit jest najważniejszym skaleniem w skałach leukokratycznych. Może on występować samodzielnie lub w otoczeniu ortoklazów. Podobnie ortoklaz tworzy samodzielne, średnioziarniste skupienia w sjenicie nefelinowym. Jako podstawowy minerał nefelin pojawia się wyłącznie w tym sjenicie. Analcyt to jeden z najobficiej występujących minerałów w skałach badanego regionu. Jest on obecny w postaci pierwotnej a także jako wtórna analcytowa mezostasis zastępująca szkliwo, która zawsze zawiera dość cjużo kalcytu i zeolitu. I tak na przykład często spotykamy w sjenitach większe ilości natrolitu. Prenit stanowi kolejny minerał znajdowany w dużych ilościach. Krzywe zmienności składników chemicznych badanych skał w odniesieniu do wskaźnika Larsena, zmodyfikowanego przez Nockoldsa i Allensa, opracowano dla trzech sillów, to jest: Pastwiska, Rudów, Puńców. Pomijając drobne różnice, wszystkie trzy sille wykazują podobieństwo do krzywych zmienności składników chemicznych skał trzeciorzędowych serii alkalicznych Szkocji, hawajskich sikał alkalicznych, alkalicznych skał ogniowych wysp polinezyjskich i cieszynitów z Black Jack Sili. Krzem i aluminium wykazują wzrost zawartości w ciągu krystalizacji, natomiast żelazo i magnez zmniejszenie koncentracji. Wapń i alkalia wykazują przebiegi przeciwne. Ilość alkaliów wzrasta a wapnia maleje ze wzrostem współczynnika krystalizacji. Jeśli chodzi o pierwiastki śladowe, to chrom i nikiel zachowują się identycznie. Początkowo ilość ich gwałtownie spada, lecz następnie w toku krystalizacji nie wykazują one większych zmian ilościowych. Krzywa dla wanadu przebiega tak samo, lecz załamuje się później niż krzywa dla niklu i chromu. Przy przejściu od Skał melanokratycznych do mezokratycznych stosunek niklu do magnezu spada. Mimo to zmienność tego stosunku jest mała. Według Wagera i Mitchela , jeśli w serii mineralnej lub skalnej stosunek ten wykazuje małą zmienność, to prawdopodobnie nie miała tam miejsca silniejsza frakcjonacja. Potwierdza to wniosek, że w skałach prowincji cieszyńskiej frakcjonacja minerałów femicznych była słaba, a to z kolei tłumaczy, dlaczego stosunek Fe/Mg pozostał prawie nie zmieniony, powodując zahamowanie wzrostu ilości żelaza w czasie kry stalizacji. Jest to powód, dla którego petrologiczna prowincja cieszynitowa wykazuje szczególne podobieństwo do hawajskich serii bazalt alkaliczny- trachit, a różni się od serii P Hakone, które są przykładem prowincji bazaltów toleitowych, oraz intruzji Skaergaard, w których, w przeciwieństwie do serii skalnych okolic Cieszyna, obserwujemy wzbogacenie w żelazo. Najbardziej charakterystyczną cechą hawajskiej serii bazalt alkaliczny-trachit i serii skalnych okolic Cieszyna jest bliskie podobieństwo zachowania się glinu i pierwiastków alkalicznych, choć zawartość tych ostatnich wzrasta znacznie szybciej w toku krystalizacji niż ilość glinu. Przebieg krystalizacji skał prowincji cieszynitowej naniesiony na trójkątny diagram: Total iron — Total alkalies — MgO, wykazuje podobieństwo do ogólnie znanych serii bazaltów alkalicznych. Ze wszystkich wyżej wspomnianych bazaltów alkalicznych, skały okolic Cieszyna wykazują najmniejsze wzbogacenie w żelazo w toku krystalizacji, także we wczesnych i środkowych stadiach krzywa krystalizacji jest prawie równoległa do podstawy trójkąta. Stosunek Mg/FeO zdaje się być ustalony już w początkowym stadium krystalizacji. Wzbogacenie w żelazo jest powstrzymane w wyniku wysokiego ciśnienia parcjalnego tlenu, co powoduje wysoki stosunek żelaza Fe3+/Fe2+. Warunki mniej więcej stałego lub wzrastającego ciśnienia parcjalnego tlenu mogą być spełnione, jeżeli magma zawiera wystarczającą ilość wody lub CO2. Warunki te spełnione są na ogół w bazaltowych magmach alkalicznych, zazwyczaj zasobnych w wodę. Macierzysta magma okolic Cieszyna zawierała szczególnie dużo wody. Należy przypuszczać, że źródłem tej niezwykle dużej zawartości wody były wilgotne osady fliszu, będące w stanie plastycznym w okresie intruzji magmy. Uważa się powszechnie, że źródłem tlenu był rozkład cząsteczek wody, przy czym uwolniony wodór dyfundował z magmy w warstwy sąsiednie. Według Presnalla , w przypadku wysokiego stosunku H(2)O/H wzbogacenie w żelazo zostaje zahamowane. Hipoteza dwóch stadiów dyferencjacji magmy cieszynitowej, przedstawiona przez profesora K. Smulikowskiego znajduje pełne potwierdzenie w świetle badań autora. Częściowo zróżnicowana magma intrudowała następnie w osady kredowe. Niektóre z jej frakcji mogły ulec silnej dyferencjacji, inne pozostały nie zróżnicowane. Krystalizacja frakcjonalna, polegająca na sukcesywnym wydzielaniu się frakcji krystalicznych z cieczy o stale zmieniającym się składzie, jest w świetle badań chemicznych i mineralogicznych głównym mechanizmem różnicowania. Krystalizacja oliwinu zakończyła się niemal całkowicie przed ascenzją magmy ku powierzchni. Na Skutek tego, mieszanina minerałów i cieczy w pobliżu granicy powstałej na zastygłych brzegach sillu poddana została działaniu siły dośrodkowej, wystarczająco silnej, nawet przy niskich lep- Jkościach magmy, aby spowodować wydzielanie kryształów od ścian ku środkowi. Zjawisko to jest znane pod nazwą dyferencjacji przepływowej i wszystko wskazuje na to, że ten właśnie mechanizm działał w przypadku sillu w Pastwiskach, złożonego z porfirowego centrum i afirowych partii zewnętrznych. Dyferencjacja przepływowa wyjaśnia także pojawianie się dużych, choć nielicznych, fenokryształów w zamrożonych brzegach i apofyzach sillów. Wydzielanie się oliwitu z magmy cieszynitowej we wczesnym stadium krystalizacji grało dwojaką rolę: 1) Zapewniło ono stałość aktywności tlenu w magmie, (jak wykazały badania doświadczalne Wilkinsona i Nasha), warunkującą utrzymanie się wysokiego stosunku Fe+3/Fe+2. 2) Utrwaliło początkowe stadium nienasycenia magmy w krzemionkę (Tilley i Yoder 62). Należy zaznaczyć, że krańcowe niedosycenie magmy w krzemionkę jest najbardziej charakterystyczną cechą omawianej magmy cieszynitowej.