Σχιστόλιθος

Ο σχιστόλιθος είναι λεπτόκοκκο κλαστικό ιζηματογενές πέτρωμα, που σχηματίζεται από λάσπη. Αποτελεί μείγμα αργιλικών ορυκτών και μικροσκοπικών θραυσμάτων (μικρότερων των κόκκων της άμμου) άλλων ορυκτών, ιδίως χαλαζία και ασβεστίτη. Ο σχιστόλιθος χαρακτηρίζεται, όπως υποδηλώνει και η ονομασία του, από την ιδιότητα ότι τείνει να σχίζεται σε λεπτά στρώματα (φύλλα), με πάχος μικρότερο του εκατοστομέτρου. Ο σχιστόλιθος είναι το πλέον συνηθισμένο ιζηματογενές πέτρωμα.

 Οι σχιστόλιθοι παρουσιάζουν ποικίλους βαθμούς «σχιστότητας». Εξαιτίας του παράλληλου προσανατολισμού των αργιλικών στοιχειωδών φύλλων στο πέτρωμα, ο σχιστόλιθος θραύεται σε λεπτά στρώματα, που συχνά μοιάζουν με σχίζες ξύλου και είναι συνήθως παράλληλα με τα κατά τα άλλα δυσδιάκριτα επίπεδα της διαστρωματώσεως των πετρωμάτων. Πετρώματα με παρόμοια σύσταση και μεγέθη κόκκων (μικρότερα του 0,0625 mm), τα οποία όμως δεν σχίζονται, χαρακτηρίζονται ως λασπόλιθοι (mudstones) αν οι κόκκοι ιλύος αποτελούν από το 1/3 έως τα 2/3 της μάζας τους, ή ως αργιλόλιθοι (λιγότερο από 1/3 ιλύς). Συνήθως οι σχιστόλιθοι έχουν γκρίζο χρώμα και αποτελούνται από αργιλικά ορυκτά και μικροσκοπικούς κόκκους χαλαζία. Η προσθήκη προσμίξεων σε διάφορες ποσότητες αλλοιώνει το χρώμα του πετρώματος: Οι κόκκινες αποχρώσεις οφείλονται σε οξείδιο του τρισθενούς σιδήρου (αιματίτη), οι καφετί σε ένυδρο οξείδιο του σιδήρου (γκαιτίτη), οι κίτρινες σε υδροξείδιά του (λειμωνίτη) και οι πρασινωπές σε φυλλοπυριτικά ορυκτά (χλωρίτες, βιοτίτη και ιλίτη). Το χρώμα αλλάζει από κοκκινωπό σε πρασινωπό καθώς οξειδωμένος τρισθενής σίδηρος μετατρέπεται («ανάγεται») σε δισθενή σίδηρο. Μαύροι σχιστόλιθοι προκύπτουν από την παρουσία ανθρακούχων προσμίξεων σε ποσοστά μεγαλύτερα του 1%, κάτι που υποδεικνύει αναγωγικό περιβάλλον. Αλλά και γαλαζωποί έως γαλαζοπράσινοι σχιστόλιθοι είναι συνήθως πλούσιοι σε ανθρακικά ορυκτά.Οι άργιλοι αποτελούν το κυριότερο συστατικό των σχιστολίθων και άλλων παρόμοιων πετρωμάτων. Τα αργιλικά ορυκτά που περιέχουν είναι κατά μεγάλο μέρος καολίνης, μοντμοριλλονίτης και ιλίτης. Στους παλαιότερους σχιστόλιθους (ιδίως σε όσους δημιουργήθηκαν στις πρώτες και μέσες περιόδους του Παλαιοζωικού αιώνα) κυριαρχεί ο ιλίτης. Ο τυπικός σχιστόλιθος αποτελείται από 58% περίπου αργιλικά ορυκτά, 28% χαλαζία, 6% αστρίους, 5% ανθρακικά ορυκτά και 2% οξείδια του σιδήρου.Οι σχιστόλιθοι περιέχουν περί το 95% όλης της οργανικής ύλης που βρίσκεται σε όλα τα ιζηματογενή πετρώματα της Γης. Ωστόσο, αυτό ισοδυναμεί με λιγότερο από 1% της μάζας ενός μέσου σχιστόλιθου. Οι μαύροι σχιστόλιθοι, που δημιουργούνται σε ανοξικές συνθήκες, περιέχουν ανηγμένο ελεύθερο άνθρακα μαζί με δισθενή σίδηρο και δισθενή ιόντα θείου (S2−). Ο άμορφος θειούχος σίδηρος (FeS) μαζί με άνθρακα δίνουν το μαύρο χρώμα. Επειδή ο θειούχος δισθενής σίδηρος είναι ασταθής και βαθμιαία μετρέπεται σε σιδηροπυρίτη (FeS2), που δεν δίνει ιδιαίτερο χρωματισμό, οι νεότεροι σχιστόλιθοι μπορεί να είναι πολύ σκουρόχρωμοι από τον περιεχόμενο FeS, παρά το ότι δεν έχουν σημαντική περιεκτικότητα σε άνθρακα (μικρότερη του 1%), ενώ σε έναν παλαιό σχιστόλιθο, η μαύρη απόχρωση υποδεικνύει υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα.Οι περισσότεροι σχιστόλιθοι έχουν θαλάσσια προέλευση, και το υπόγειο νερό σε σχηματισμούς σχιστόλιθου είναι συχνά υφάλμυρο. Υπάρχουν δεδομένα υπέρ του ότι ο σχιστόλιθος ενεργεί ως ημιπερατό μέσο, επιτρέποντας στο νερό να τον διαπερνά ενώ εκείνος κατακρατεί τα διαλυμένα στο νερό αυτό άλατα. Οι μικροσκοπικοί κόκκοι που αποτελούν τον σχιστόλιθο παραμένουν αιωρούμενοι στο νερό πολύ περισσότερο από τους μεγαλύτερους κόκκους της άμμου. Ως αποτέλεσμα, υπέστησαν καθίζηση στον πυθμένα μόνο σε σχεδόν ακίνητα νερά και βρίσκονται συχνά σε λιμναίες αποθέσεις ή σε πυθμένες προϊστορικών λιμνοθαλασσών. Επίσης σε δέλτα ποταμών, σε πλημμυρικές πεδιάδες και σε θαλάσσιους πυθμένες σε βάθη μεγαλύτερα από εκείνα στα οποία φθάνει η κίνηση του νερού που προκαλούν τα κύματα. Σχιστολιθικά στρώματα μεγάλου πάχους βρίσκονται κοντά σε αρχαία όρια ηπείρων και λεκάνες. Κάποιοι από τους ευρύτερα διαδεδομένους σχιστόλιθους εναποτέθηκαν από εσωτερικές θάλασσες. Οι μαύροι σχιστόλιθοι είναι συνηθισμένοι σε στρώματα της Κρητιδικής περιόδου στα όρια του Ατλαντικού Ωκεανού, όπου εναποτέθηκαν σε λεκάνες οριοθετημένες από ρήγματα, που δημιουργήθηκαν κατά τη διάνοιξη του Ατλαντικού μετά τη διάσπαση της Παγγαίας. Αυτές οι εκάνες ήταν ανοξικές, τόσο επειδή η κυκλοφορία των νερών ήταν περιορισμένη στον στενότερο τότε Ατλαντικό, όσο και επειδή η πολύ θερμή θάλασσα της Κρητιδικής περιόδου δεν κυκλοφορούσε το κρύο νερό του πυθμένα. Το μεγαλύτερο μέρος του αργίλου πρέπει να εναποτίθεται ως συσσωματώματα και μικρές «νιφάδες», καθώς ο ρυθμός καθιζήσεως των μεμονωμένων σωματιδίων αργίλου είναι πάρα πολύ αργός. Η συσσωμάτωση είναι ταχεία από τι στιγμή που ο άργιλος συναντήσει το πολύ αλμυρό θαλάσσιο νερό. Ενώ τα μεμονωμένα σωματίδια του αργίλου έχουν μέγεθος μικρότερο των 4 μικρομέτρα (εκατομμυριοστών του μέτρου), τα συσσωματώματά τους έχουν μεγέθη από 35 μέχρι και πάνω από 700 μικρομέτρα. Οι «νιφάδες» αυτές στην αρχή περιέχουν πολύ νερό, αλλά μεγάλο μέρος του νερού εξωθείται έξω από το εσωτερικό τους καθώς το ορυκτό «δένεται» πιο πυκνά με την πάροδο του χρόνου, μια διαδικασία που αποκαλείται «συναίρεση» (syneresis). Καθώς ιζήματα συνεχίζουν να συσσωρεύονται, τα παλαιότερα και βαθύτερα θαμμένα αρχίζουν να υφίστανται διαγένεση. Αυτή συνίσταται κυρίως σε συμπαγοποίηση και λιθοποίηση των σωματιδίων του αργίλου και της ιλύος. Τα αρχικά στάδια πριν από την κυρίως διαγένεση, που περιγράφονται ως ηωγένεση, επισυμβαίνουν σε σχετικώς μικρά βάθη (λίγες δεκάδες μέτρα) και χαρακτηρίζονται από βιοδιαμόρφωση και ορυκτολογικές μεταβολές στα ιζήματα, με ελαφρά μόνο συμπύκνωση. Σε αυτό το στάδιο μπορεί να δημιουργηθεί σιδηροπυρίτης σε ανοξικό περιβάλλον.Η βαθύτερη ταφή των ιζημάτων συνοδεύεται από τη μεσογένεση, κατά την οποία συμβαίνει το μεγαλύτερο μέρος της συμπαγοποιήσεως και της λιθοποιήσεως. Καθώς τα ιζήματα υφίστανται αυξανόμενη πίεση από τα υπερκείμενα ιζήματα, οι κόκκοι τους αναδιατάσσονται σε πιο συμπαγείς, πυκνότερες διατάξεις, οι μαλακοί κόκκοι (όπως εκείνοι των αργιλικών ορυκτών) παραμορφώνονται και ο χώρος των πόρων μειώνεται. Εκτός από τη φυσική-μηχανική συμπαγοποίηση, μπορεί να λάβει χώρα και χημική συμπαγοποίηση με διάλυση υπό πίεση: Τα προεξέχοντα σημεία επαφής μεταξύ κόκκων δέχονται τις μεγαλύτερες μηχανικές τάσεις και το υλικό υπό τάση είναι πιο διαλυτό από το υπόλοιπο μέρος του κόκκου. Ως αποτέλεσμα, τα πιο προεξέχοντα σημεία επαφής διαλύονται και απομακρύνονται, επιτρέποντας στους κόκκους να έλθουν σε στενότερη επαφή.Κατά τη διάρκεια της συμπαγοποιήσεως είναι που ο σχιστόλιθος αναπτύσσει τη «σχιστική» του ιδιότητα. Οι κόκκοι αργίλου προσανατολίζονται ισχυρά σε παράλληλα στρώματα, τα οποία δίνουν στον σχιστόλιθο τη χαρακτηριστική υφή του. Αυτή η ιδιότητα αναπτύσσεται πιθανώς νωρίς κατά τη διαδικασία της συμπαγοποιήσεως, σε σχετικώς μικρά βάθη, καθώς η «σχιστότητα» δεν φαίνεται να ποικίλλει με το βάθος σε σχηματισμούς μεγάλου πάχους. Τα συσσωματώματα του καολίνη έχουν μικρότερη τάση να ευθυγραμμίζονται σε παράλληλα στρώματα από ό,τι τα άλλα αργιλικά ορυκτά, οπότε οι άργιλοι που περιέχουν πολύ καολίνη είναι πιθανότερο να δημιουργήσουν μη σχιζόμενο λασπόλιθο παρά σχιστόλιθο. Από την άλλη, οι μαύροι σχιστόλιθοι παρουσιάζουν συχνά πολύ έντονη «σχιστικότητα» εξαιτίας των δεσμών των μορίων υδρογονανθράκων με τις επιφάνειες των σωματιδίων αργίλου. Οι δεσμοί αυτοί εξασθενούν τους δεσμούς μεταξύ των σωματιδίων αργίλου.Η λιθοποίηση ακολουθεί στενά τη συμπαγοποίηση, καθώς αυξημένες θερμοκρασίες σε μεγάλο βάθος επιταχύνουν την απόθεση υικού που «συγκολλά» τους κόκκους μεταξύ τους. Η προαναφερθείσα διάλυση υπό πίεση συνεισφέρει στη συγκόλληση, καθώς το διαλυόμενο ορυκτό από τα σημεία επαφής επανεναποτίθεται στους ελεύθερους χώρους και τους καλύπτει. Τα αργιλικά ορυκτά μπορούν επίσης να μετατραπούν. Για παράδειγμα ο σμηκτίτης μετατρέπεται σε ιλίτη σε θερμοκρασίες από 55 έως 200 °C περίπου, απελευθερώνοντας νερό. Συμβαίνουν και άλλες αντιδράσεις, όπως η μετατροπή σμηκτίτη σε χλωρίτη, και καολίνη σε ιλίτη, σε θερμοκρασίες μεταξύ 120 και 150 °C. Εξαιτίας αυτών των αντιδράσεων, ο ιλίτης αποτελεί το 80% της μάζας των προκάμβριων σχιστόλιθων έναντι περίπου 25% των νέων στην ηλικία σχιστόλιθων.Η «αποστέγαση» θαμμένου σχιστόλιθου συνοδεύεται από τελογένεση, το τρίτο και τελευταίο στάδιο της διαγενέσεως. Καθώς μεταγενέστερη αποσάθρωση των επιφανειακών στρωμάτων μειώνει το βάθος ταφής, η νέα έκθεση στο νερό της βροχής ή του λιωμένου χιονιού επιφέρει πρόσθετες μεταβολές στον σχιστόλιθο, όπως τη διάλυση συγκολλητικού υλικού, κάτι που δημιουργεί δευτερογενείς πόρους. Επίσης ο σιδηροπυρίτης μπορεί να οξειδωθεί παράγοντας γύψο.Οι μαύροι σχιστόλιθοι οφείλουν το χρώμα τους στο ότι είναι πλούσιοι σε μη οξειδωμένο άνθρακα. Ανευρίσκονται συχνά σε κάποια στρώματα του Παλαιοζωικού και του Μεσοζωικού αιώνα, και εναποτέθηκαν σε συνθήκες ελλείψεως οξυγόνου, όπως κάτω από στάσιμα νερά. Μερικοί μαύροι σχιστόλιθοι περιέχουν σε αφθονία βαρέα μέταλλα, όπως μολυβδαίνιο, ουράνιο, βανάδιο και ψευδάργυρος. Το πώς προήλθε ο εμπλουτισμός αυτός αποτελεί αμφιλεγόμενο ζήτημα. Μια θεωρία είναι ο εμπλουτισμός από υδροθερμικά υγρά, ενώ μια άλλη είναι η αργή συσσώρευση μετάλλων από το θαλάσσιο νερό κατά τη διάρκεια μεγάλων χρονικών περιόδων ιζηματοποιήσεως.Κάποιες φορές στις ενδιάμεσες επιφάνειες στρωμάτων σχιστόλιθου διατηρούνται απολιθώματα, χνάρια από ζώα (ιχνίτες) ή λαγούμια ζώων, ακόμα και αποτυπώματα από σταγόνες βροχής. Οι σχιστόλιθοι μπορεί επίσης να εμπεριέχουν σκληρές συμπαγείς μάζες σιδηροπυρίτη, απατίτη ή διάφορων ανθρακικών ορυκτών.Οι σχιστόλιθοι που υπόκεινται σε μεγάλες θερμοκρασίες και πιέσεις μετατρέπονται σε ένα σκληρό, αλλά επίσης εμφανίζον σχισμό, μεταμορφωσιγενές πέτρωμα που είναι γνωστό ως πλάκες σχιστόλιθου (slate). Με συνεχιζόμενη αύξηση του βαθμού μεταμορφώσεως, αυτός μετατρέπεται διαδοχικά σε φυλλίτη, μετά σε σχίστη και τελικά σε γνεύσιο. Ο σχιστόλιθος είναι το πιο συνηθισμένο από τα πετρώματα που φιλοξενούν υδρογονάνθρακες (φυσικό αέριο και πετρέλαιο). Η έλλειψη χονδρόκοκκων ιζημάτων στα περισσότερα σχιστολιθικά στρώματα προδίδει την έλλειψη ισχυρών ρευμάτων στα νερά της λεκάνης εναποθέσεως. Αυτά τα ρεύματα θα μπορούσαν να είχαν οξυγονώσει τα νερά, καταστρέφοντας έτσι την οργανική ύλη προτού προλάβει να συσσωρευθεί. Επιπροσθέτως, η απουσία ανθρακικών ορυκτών σε σχιστολιθικά στρώματα αντανακλά την έλλειψη οργανισμών που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν σκελετούς από ανθρακικά άλατα, επίσης εξαιτίας ενός περιβάλλοντος χωρίς ελεύθερο οξυγόνο. Ως αποτέλεσμα, περί το 95% της οργανικής ύλης που περιέχεται σε ιζηματογενή πετρώματα στον φλοιό της Γης βρίσκεται σε σχιστόλιθους και λασπόλιθους. Μεμονωμένα στρώματα σχιστόλιθου έχουν συνήθως περιεχόμενο σε οργανικές χημικές ενώσεις περί το 1%, αλλά πλουσιότερα σε υδρογονάνθρακες σχιστολιθικά πετρώματα μπορεί να περιέχουν έως και 40% οργανικών ενώσεων.Οι οργανικές ενώσεις μέσα στον σχιστόλιθο μετατρέπονται με την πάροδο των αιώνων από τις αρχικές πρωτεΐνες, πολυσακχαρίδια, λιπίδια και άλλα, σε κηρογόνο, το οποίο στις υψηλότερες θερμοκρασίες που βρίσκονται σε μεγαλύτερα βάθη μετατρέπεται περαιτέρω σε γραφίτη και σε πετρέλαιο. Σχιστολιθικό πετρέλαιο