Rozwój hydratacyjnych form rzeźby w strefie współczesnego wietrzenia anhydrytów karbońskich w kamieniołomie Dingwall we wschodniej Kanadzie

Tematem pracy doktorskiej jest rzadkie zjawisko ekspansywnej gipsyfikacji skał anhydrytowych odsłoniętych w dnie nieczynnego kamieniołomu gipsów karbońskich w Dingwall, w prowincji Nowa Szkocja we wschodniej Kanadzie, w którym eksploatacja trwała w latach 1933-1955. Kluczowym procesem w badanej strefie wietrzenia jest hydratacja anhydrytu (gipsyfikacja) spowodowana dopływem wód opadowych. Proces ten prowadzi do przemiany mineralnej anhydrytu w gips, skutkując wzrostem objętości ośrodka skalnego. Rezultatami zmiany objętości są tworzące się na dnie kamieniołomu wypukłe formy morfologiczne o kształcie kopuł, tipi (w przekroju trójkątne), oraz grzbietów o rozmiarach lateralnych do kilkunastu metrów, a także liczne spękania i przemieszczenia bloków skalnych. Formy te powstają w przeciągu lat, bądź dekad przechodząc przez kolejne etapy ewolucji od stadium inicjalnego, przez młodociane, dojrzałe, starcze aż do zniszczenia. Cechą charakterystyczną wymienionych form jest obecność pustki skalnej pod podniesioną warstwą skalną, tworzącej niejednokrotnie jaskinię właściwą, ze względu na genezę zwaną jaskinią z hydratacji (niem. Quellungshöhle).

Teren kamieniołomu zbadano pod względem morfologicznym, strukturalnym, petrograficznym, oraz speleologicznym. Pobrano próbki skalne reprezentujące strefę uwodnienia anhydrytu i deformacje skalne, w tym utwory budujące jaskinie. Wykonano zgłady oraz płytki cienkie do obserwacji makroskopowych i mikroskopowych (mikroskopia optyczna i skaningowa). Wykonano analizę EDS, analizę metodą piknometrii helowej i analizy składu mineralnego i chemicznego wykorzystując ICP-EOS, XRD i spektroskopię Ramana. Strefę wietrzenia udokumentowano metodą fotogrametrii naziemnej i powietrznej stosując dron. Wykonano pomiary GPS RTK, zamontowano 39 reperów w obrębie form z hydratacji, oraz sporządzono liczne fotografie i materiały filmowe. Formy z hydratacji wraz z wewnętrznymi jaskiniami i pustkami pomierzono oraz sklasyfikowano m.in. pod względem dostępności pustki dla człowieka i ich wymiarów. Ponadto wykonano pomiary strukturalne położenia warstw skalnych i ciosu. Prace kameralne odbywały się z użyciem programów komputerów takich, jak: ArcGIS, Metashape, CorelDraw, Excel, GeoRose, RawTherapee użytych w celu analizy i interpretacji danych zebranych w terenie. Powstałe dzięki fotogrametrii modele powierzchni terenu oraz ortofotomapy kamieniołomu Dingwall ale i też poszczególnych form z hydratacji stały się głównym materiałem do dalszej analizy morfometrycznej. Zagadnienia powiązane z pracą doktorską są publikowane na stronie internetowej: hydrationcaves.com, na portalu instagram.com oraz facebook.com (profil: hydrationcaves) i na stronie youtube.com (kanał: Hydration Caves).

Występujące w kamieniołomie gipsy i anhydryty są częścią osadów Grupy Windsor powstałej w wizenie w morzu Basenu Maritimes w atlantyckiej części Kanady. Badana skała składa się w większości z gipsu i anhydrytu, z akcesorycznie występującym celestynem, kwarcem oraz kalcytem. Hydratacja anhydrytu prowadzi do zmian teksturalnych oraz strukturalnych skały gipsowo-anhydrytowej. Anhydryt przed przemianą cechuje się zbitą teksturą i listewkowatymi kryształami o gęstym upakowaniu, natomiast nowo powstały gips tworzą w większości anhedralne kryształy o znacznie luźniejszej teksturze. Struktury anhydrytu są przeważnie masywne, natomiast pod wpływem przejścia w gips powstaje skała gipsowo-anhydrytowa o strukturze mozaikowej i gruzłowej. Anhydryt i gips wykazują też struktury warstwowane, a także zniekształcone na skutek licznych spękań. Krystalizacja gipsu następuje zarówno na skutek wzrostu zastępującego (równoobjętościowego), jak i wzrostu wypierającego prowadzącego do przyrostu objętości i ,,pęcznienia’’ skały. Dowodem na zmiany objętości są przemieszczenia i rotacje kryształów anhydrytu otoczonych i oddzielonych gipsem.

Udokumentowano 77 form morfologicznych z hydratacji o długości od 1,86 do 23,05 m i wysokości względnej od 0,33 do 2,09 m. Mają one przeważnie kształt kopuły lub tipi oraz cechują się zmiennym wydłużeniem i wypukłością. Niejednokrotnie są one nieregularne i trudne do opisania. Na ich rozwój wpływa cios oraz warstwowanie skał macierzystych. Formy z hydratacji rozpoznane w całym stanowisku tworzą relief hydratacyjny o wyjątkowo dużym tempie zmian wyraźnie widocznych już w czasie kilku-kilkunastu lat obserwacji. Przykładowo, rozpoznany dzięki porównaniu ze zdjęciami archiwalnymi rozwój największej Jaskini Ramesha o wymiarach wnętrza: 8,87×2,97×1,35 m nastąpił w ciągu nieco ponad 17 lat. Głównymi parametrami morfometrycznymi charakteryzującymi badane formy są: długość, szerokość oraz wysokość względna. Odspojona warstwa skalna ma średnią grubość od 6 do 46 cm, a spękania występujące w jej obrębie, zarówno równolegle do powierzchni, ale i też prostopadle do niej, kontrolują proces rozpadu skał i niszczenia form z hydratacji.

Występujące pod odspojoną warstwą pustki są w większości jaskiniami dostępnymi bądź niedostępnymi dla człowieka dorosłego (ze względu na zbyt wąski otwór wlotowy), ale również pustkami zbyt małymi aby nazwać je jaskiniami. Niekiedy niemożliwe jest stwierdzenie, czy pod powierzchnią terenu znajduje się pustka zdolna pomieścić człowieka. Wymiary jaskiń dochodzą do niemal 9 m długości, 1,35 m wysokości (Jaskinia Ramesha), ok. 29 m2 powierzchni (Jaskinia Damiana) oraz do 17,41 m3 objętości (Jaskinia Ramesha). Do ich wnętrza prowadzi zazwyczaj pojedyncze wejście właściwe (przez które może przejść człowiek). Czasem wejścia występują naprzeciwko siebie budując most skalny. Jaskinie wraz z formami z hydratacji cechują dynamiczne dobrze widoczne zmiany kształtu w czasie polegające głównie na podnoszeniu się odspojonych warstw skalnych, wzroście wysokości form oraz ich niszczeniu. Oprócz dokumentacji fotograficznej ewolucja ta została potwierdzona pomiarami odległości między reperami, oraz pomiarami rozmiarów form.

Powstanie opisanych form oraz jaskiń jest bez wątpienia związane z ekspansywną hydratacją i wzrostem objętości ośrodka skalnego, czego dowodzą zarówno obserwacje morfologiczne jak i petrograficzne. Gipsyfikacja anhydrytu zachodzi w strefie wadycznej i rozpoczyna się w miejscu spękań oraz postępuje w głąb skały tworząc strefy o zwiększającej się ilości gipsu wykazującego cechy wypierającego wzrostu. W Dingwall panują warunki sprzyjające krystalizacji gipsu kosztem anhydrytu z roztworów porowych przesyconych względem gipsu i równocześnie nienasyconych względem anhydrytu. Umożliwia to temperatura w zakresie od 0 do 30°C, w której rozpuszczalność anhydrytu jest znacznie większa od rozpuszczalności gipsu. Roztwory porowe, z których krystalizuje gips powstają podczas napływu lub infiltracji wód opadowych lub roztopowych w obręb skały anhydrytowej.

Kamieniołom w Dingwall jest największym na świecie obszarem o rozpoznanej rzeźbie hydratacyjnej i stanowi ważne pod względem dziedzictwa geologicznego stanowisko wymagające ochrony, monitorowania i dalszych badań.

The subject of the doctoral dissertation is the rare phenomenon of expansive gypsification of anhydrite rocks exposed at the bottom of the abandoned Carboniferous gypsum quarry at Dingwall, in Nova Scotia province, in eastern Canada, operated in the years 1933-1955. The key observed process in the studied weathering zone is the anhydrite hydration (gypsification) caused by influx of rain- or meltwater. This process leads to a mineral transformation of anhydrite into gypsum, resulting in a volume increase of the rock. The results of the volume change are landforms, visible at the bottom of the quarry, in the shape of domes, tepees (triangular in cross-section), and ridges with lateral sizes up to several meters, as well as fractures or displacements of rock slabs. These forms grew through years or decades, passing through successive stages of evolution, from the initial stage, through youth, mature, and senile stage to the final destruction stage. A characteristic feature of these forms is the presence of a cavity under the raised rock layer, often forming the proper cave, called the hydration cave because of its specific origin (German: Quellungshöhle).

The study area was examined in terms of petrographic, morphological, structural and speleological aspects. Rock samples representing the anhydrite hydration zone and rock deformations, including the cave-building rocks, were collected from all over the site. The polished surfaces and thin sections were performed for macroscopic and microscopic observations (optical and scanning microscopy). EDS analysis, helium pycnometry analysis, as well as chemical and mineralogical composition analysis by ICP-EOS, XRD and Raman spectroscopy were performed. The weathering zone has been documented by ground and aerial photogrammetry using a drone. GPS RTK measurements were made, 39 benchmarks were installed within the hydration forms, and numerous photographs and video materials were taken. The landforms, along with internal caves and cavities, were measured and classified in terms of, inter alia, the accessibility of the cavity to adults and their dimensions. In addition, structural measurements were made of the rock layering and of the master joints. Laboratory works was carried out with the use of computer programs such as: ArcGIS, Metashape, CorelDraw, Excel, GeoRose, RawTherapee, aimed at further analysis and interpretation of the data collected in the field. The digital surface models and orthophotomaps of the Dingwall quarry, as well as hydration forms, created thanks to photogrammetry, became the main material for morphometric analysis. Issues related to the doctoral dissertation are published on the website: hydrationcaves.com, on instagram.com and facebook.com (profile: hydrationcaves) and on youtube.com (channel: Hydration Caves).

The gypsum exploited in the quarry is a part of the Windsor Group (Viséan) deposited in the Maritimes Sea Basin in the Atlantic Canada. The studied rock consists mostly of gypsum and anhydrite with accessory celestine, quartz and calcite. Anhydrite hydration leads to textural and structural changes in the gypsum-anhydrite rock. Before the transformation, anhydrite is characterized by a compact fabric and lath crystals with a dense packing, while the newly formed gypsum forms mostly anhedral crystals with much looser packing. The anhydrite structures are usually massive, while under the influence of transition to gypsum gypsum-anhydrite rock is created with mosaic and nodular structure. Anhydrite and gypsum also show layered structures, but also distorted as a result of numerous fractures. Gypsum crystallization occurs both as a result of replacement (equal-volume), and also of displacement leading to a volume increase, and "rock swelling". The proofs of volume changes are displacements and rotations of anhydrite crystals surrounded and separated by gypsum. The documented 77 forms with length from 1.86 to 23.05 m and the height from 0.33 to 2.09 m are usually dome- or tepee-shaped, characterized by variable elongation and bulging. They are often irregular and difficult to describe. Their development is influenced by the master joints and layering of bedrock. The hydration landforms recognized throughout the site constitute a hydration relief with an exceptional rate of changes visible over a few or several years. For example, the development of the largest Ramesh Cave with its interior dimensions of 8.87 × 2.97 × 1.35 m, observed thanks to archival photos, took place in just over 17 years. The main morphometric parameters defining the examined forms are: length, width and relative height. The average detached rock layer is 6 to 46 cm thick, and the fractures occurring within it are commonly both parallel to the surface and perpendicular to it. They control the process of disintegration and destruction of hydration forms.

The cavities beneath the detached layer are mostly caves, or caves inaccessible to adults (due to too narrow inlet), but also cavities too small to be called caves. Sometimes it is impossible to recognize and state if there is a cavity under the rock that can accommodate a person. The largest caves are almost 9 m long, 1.35 m high, (the Ramesh Cave), show an area of approx. 29 m2 (the Damian Cave) and a volume of up to 17.41 m3 (the Ramesh Cave). There is usually a single proper entrance leading to their interior (through which an adult can pass). Sometimes the entrances appear opposite each other, building a rock bridge. The rock relief in the hydration caves and hydration landforms has a dynamic nature, and the changes that take place over time reflect a rising, destruction, but also a stable state of the rock layer. In addition to photographs, measurements of the distance between the benchmarks and measures of the landforms dimensions have confirmed this morphological evolution.

The origin of the described forms and caves is undoubtedly associated with the expansive hydration and the volume increase of the rock, which is proved by both morphological and petrographic observations. Gypsification of anhydrite occurs in the vadose zone and begins at fractures and progresses deep into the rock, creating zones of gradually increasing amounts of gypsum showing features of displacive growth. Dingwall there are conditions conducive to the crystallization of gypsum at the expense of anhydrite from pore solutions supersaturated with respect to gypsum and at the same time undersaturated with respect to anhydrite. This is possible thanks to the temperature in the range from 0 to 30°C, in which the solubility of anhydrite is much higher than that of gypsum. Pore solutions, from which the gypsum crystallizes are formed during the inflow or infiltration of rainwater or meltwater into the anhydrite rock.

The Dingwall quarry is the world’s largest recognized hydration relief site and is an important geological heritage site requiring both protection, monitoring and further study.