Mineralogical-geochemical study on granular disintegration of granites based on selected examples from Poland

Bibliogr. s. 321-335; kolor. il.

Celem niniejszej pracy było wyjaśnienie genezy gruzów granitowych oraz sprawdzenie, czy wspominany przez wielu autorów wpływ fluidów hydrotermalnych na rozwój gruzu dotyczy pojedynczych przykładów gruzyfikowanego granitu, czy jest warunkiem koniecznym do jego rozwoju. Do badań wykorzystano gruzy rozwinięte na granicie karkonoskim (trzy odsłonięcia z rejonu Kotliny Jeleniogórskiej: Głębock, Kowary Średnie i Miłków), granicie izerskim (odsłonięcie w Siedlęcinie) oraz zgruzyfikowany granit tworzący wąską strefę na kontakcie skał osadowych i granitu Tatr Wysokich (Skrajna Turnia). W terenie wykonano badania wytrzymałości na ściskanie przy użyciu młotka Schmidta, a z pobranych próbek wykonano szereg badań mineralogicznych i geochemicznych. Podstawowe obserwacje i analizy chemiczne w mikroobszarze wykonano za pomocą mikroskopu petrograficznego, skaningowego mikroskopu elektronowego z systemem mikroanalizy EDS oraz mikrosondy elektronowej. W celu identyfikacji fazowej zastosowano rentgenowską analizę dyfrakcyjną oraz absorpcyjną spektroskopię w podczerwieni. Analizy chemiczne skał zostały wykonane przy użyciu metod ICP-AES oraz ICP-MS. Z wybranych próbek wykonano analizy stosunków izotopowych H i O (całej skały, frakcji ilastej oraz kwarcu) oraz datowania frakcji ilastej metodą 40K-40Ar. Ponadto kostki wycięte z referencyjnych granitów umieszczono na ok. 1,5 roku w warunkach zmieniającej się dwa razy w ciągu dnia temperatury (eksperyment gelacyjny). Wykonano szczegółową charakterystykę ok. 65 próbek, co pozwoliło na wydzielenie trzech grup zwięzłości (grupa I – granity zwięzłe, grupa II – granity rozsypliwe, grupa III – gruzy granitowe). Przeprowadzone badania pozwoliły na skonstruowanie schematu gruzyfikacji granitów. W obrębie granitów w wyniku aktywności tektonicznej, odciążenia mechanicznego lub stygnięcia rozwija się sieć spękań pozwalających na krążenie roztworów w obrębie skały; Krążące w granicie hydrotermalne roztwory powodują szereg zmian minerałów, m.in wzmożoną serycytyzację skaleni, albityzację plagioklazów czy rozkład pierwotnych fosforanów REE i krystalizację faz wtórnych; W wyniku oddziaływania niżejtemperaturowych roztworów (hydrotermalnych lub wietrzeniowych) następuje wermikulityzacja biotytu, który pęczniejąc prowadzi do dezintegracji skały, towarzyszy temu intensywny rozwój krzemianów warstwowych (głównie smektyt i wermikulit) kosztem pierwotnych plagioklazów; Całkowita gruzyfikacja granitu nie zachodzi, jeżeli w wyniku oddziaływania roztworów hydrotermalnych pierwotny magmowy biotyt został zastąpiony przez wtórne minerały (np. muskowit lub chloryt). Badania gruzów pochodzących ze Skrajnej Turni w Tatrach potwierdziły, że ich powstanie należy łączyć z mechaniczną aktywnością tektoniczną w strefach ścinania, a nie przemianami minerałów skałotwórczych.

The aim of this study was to explain the origin of granitic grus and also to assess whether the activity of hydrothermal fluids is a necessary factor in grusification of granites. The gruses that developed on the Karkonosze granite (from Głębock, Kowary Średnie and Miłków), the Izera granite (from Siedlęcin) and the High Tatra granite (from Skrajna Turnia peak) were investigated. Field investigation of the surface hardness and penetration resistance of the altered granites were performed using Schmidt’s hammer (rebound hammer). The gruses were subsequently examined with a petrographic microscope, scanning electron microscope equipped with EDS (Energy Dispersive Spectrometer) and electron microprobe . Phase identification was accomplished using XRD (X-ray Diffraction) and FTIR (Fourier-Transformed Infrared Spectroscopy). Chemical analysis of the whole rock samples was performed with ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) and ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry). Hydrogen and oxygen isotopic ratios of selected samples (whole rock, clay fraction and quartz) as well as K-Ar dates of the clay fraction were obtained. Reference granites were cut into cubes and used in the freeze – thaw experiment which last for about 18 months. Detailed characteristics of ca. 65 samples was determined. Three groups of samples were distinguished according to the degree of grusification (group I - compact granite; group II - friable granite; group III – granitic grus). The results of the examination allowed creating a scheme of the grusification. Microcracks in granites caused by tectonic activity, mechanical upload or magma cooling proceses promote circulation; Hydrothermal fluids in granite contribute to the increase of alteration of primary minerals (e.g. sericitization and albitization of feldspar, decomposition of monazite-(Ce) and formation of secondary REE phosphates); Circulation of low-temperature fluids can cause hydratation and expansion of primary biotite (vermiculitization), what causes cracking of the rock; such fluids can also induce advanced alteration of plagioclases into clay minerals (mainly smectite or vermiculite); If primary biotite becomes altered during hydrothermal events (muscovitization, chloritization), complete grusification of granite does not occur. Investigation of the granitic grus from the Skrajna Turnia peak (Tatra Mts.) confirms that its genesis is a result of the mechanical stress within the shear zone.