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| マーセラス層 | |
|---|---|
| 地層範囲:中期デボン紀 | |
 ニューヨーク州マーセラス上空のマーセラス頁岩露出。垂直の節理が切り立った崖面を形成しています。 | |
| タイプ | 地質学的形成 |
| 単位 | ハミルトングループ |
| サブユニット | 参照: 指名メンバー |
| 下地 | マハンタンゴ層とスカニータレス層/スタッフォードライムMbr |
| オーバーレイ | ハンターズビルチャート、ニードモア頁岩、オノンダガ層 |
| 厚さ | 最大900フィート（270メートル）[1] |
| 岩石学 | |
| 主要な | シェール |
| 他の | 粘板岩、石灰岩、砂岩、凝灰岩 |
| 位置 | |
| 地域 | 北アメリカ 東部のアパラチア盆地 |
| 範囲 | 600マイル（970 km）[2] |
| タイプセクション | |
| 名前の由来 | ニューヨーク州マーセラス |
| 命名者 | ジェームズ・ホール、1839年 |
マーセラス層またはマーセラス頁岩は、北米東部で発見された中期デボン紀の堆積岩です。アメリカ合衆国ニューヨーク州マーセラス村の近くにある特徴的な露頭にちなんで名付けられ、[ 3 ]アパラチア盆地の大部分に 広がっています。[4] [5] [6]
米国地質調査所（USGS）が使用している単位名には、マーセラス頁岩とマーセラス層があります。[7] 「マーセラス頁岩」という用語は、アパラチア地方のほとんどの地域で好まれている名称ですが、「マーセラス層」という用語もペンシルベニア州内で受け入れられています。[7]この単位は、1839年にJ.ホールによって初めて説明され、「マーセラス頁岩」と命名されました。 [8]
説明
マーセラス層は主に黒色頁岩と少数の石灰岩 層から成り、黄鉄鉱 ( Fe S 2 ) と菱鉄鉱 ( Fe CO 3 ) が集中している。[9] ほとんどの頁岩と同様に、層理面に沿って簡単に割れる傾向があり、この性質は裂け目として知られている。[9] 層の上部にある明るい色の頁岩は、露出後に小さな薄い縁の破片に割れる傾向がある。[10] これらの破片には、黄鉄鉱が空気にさらされたことによる錆びや、黄鉄鉱と石灰岩粒子の反応による小さな石膏 ( Ca SO 4 ·2 H 2 O ) 結晶が含まれている可能性がある。 [10]黄鉄鉱を含む頁岩が新たに露出すると、オレンジ色の褐鉄鉱 ( Fe O ( OH ) ·nH 2 O )の二次鉱化や、酸性岩石排水に関連する淡黄色の硫黄の白華またはブルーム が発生する可能性がある。[11]
黄鉄鉱は特に石灰岩の基底部[12] と上部の接触部に豊富ですが、黄鉄鉱のフランボイド状微結晶と自形結晶は有機物が豊富な鉱床全体に見られます。[13] マーセラスにはウランも含まれており、[14] [15]ウラン238 （238 U）の放射性崩壊 により、放射性ラドンガス（222 Rn）の源岩となっています。 [16]
マーセラス層の有機物含有量の測定値は、ニューヨーク州東部では1%未満、州中央部では11%を超えており[17] [18] 、頁岩には燃焼に十分な炭素が含まれている可能性がある。[19] 有機物がより豊富な黒色頁岩は瀝青質である可能性があるが、陸上植物から生成された瀝青炭を含むには古すぎる。 [20]石油地質学 では、これらの黒色頁岩は、上部の地層の従来の石油貯留層を埋めた重要な根源岩であり、非従来型のシェールガス貯留層であり、その下にある従来の天然ガス貯留層を閉じ込める不浸透性のシールである。[21] 地層の西側では、液化石油ガスが生成される可能性があり、さらに北では、2億4千万年以上前に深く埋没した際に加熱され、この石油がガスに分解された。 [17] [22]
地理的範囲
マーセラス頁岩は、北アメリカのアパラチア盆地北部のアレゲニー高原地域一帯に分布している。アメリカ合衆国では、マーセラス頁岩はニューヨーク州のサザンティアとフィンガーレイクス地域、ペンシルベニア州北部と西部、オハイオ州東部、メリーランド州西部、ウェストバージニア州の大半に分布し、州境を越えてバージニア州西部端まで広がっている。 [ 23] ペンシルベニア州東部のマーセラス基盤岩[24]はデラウェア川を越えてニュージャージー州西部端まで広がっている。[1]また、ケンタッキー州とテネシー州のごく一部の地下にも分布している。[25]エリー湖の下流では、国境を越えてカナダにまで広がっており、ポートスタンレーとロングポイントの間からオンタリオ州南部のセントトーマスまで広がっている。[26] [27]
ニューヨークの露頭
マーセラスはニューヨーク州中央部の層の北縁に沿った露頭に現れます。そこでは、マーセラスの2つの節理面はほぼ直角で、それぞれがほぼ水平にある層理面に対して垂直に走る地層の亀裂を作っています。 [10] これらの節理は滑らかでほぼ垂直な崖を形成し、交差する節理面は岩面に突出した角を形成します。[10] 風化した面は露出すると、有機炭素のほとんどを失い、[28] 黒または暗い灰色から明るい灰色に変わります。
マーセラスの露頭には、石炭に似た非常に小さな層が含まれていることがあります。[29]ニューヨークの露頭や、さらに南のペンシルベニアやニュージャージーの露頭 は、採掘可能な石炭層が見つかるかもしれないという誤った期待から、19世紀初頭に大規模な採掘が行われ、時には多大な費用がかかりました。[29]ペンシルバニア州ペリー郡のジュニアータ川沿いでは、偽の石炭層は最大0.3メートル（1フィート）の厚さになりますが、周囲の丘陵から採掘するためにかなりの労力が費やされたにもかかわらず、貴重な燃料は生産されませんでした。[30]偽の石炭はおそらく 海藻と海洋植物から形成されました。真の石炭は陸生植物から形成され、マーセラスとその後の化石にのみ現れ始めました。[31] [32]
ニューヨークの露頭の南側にあるマーセラス岩盤の表面に近いため、シラキュース市を東西に走る帯状の地域[14]は、室内空気汚染物質としてのラドンの危険度が高い地域となっている。[33]北縁と東縁に沿った地表露出部から、地層はペンシルベニア州南部の地表から2,700メートル（8,900フィート）以上の深さまで下がっている。[25]
地形表現
ひっくり返った地層は、褶曲した 尾根・谷のアパラチア山脈の一部で露出しており、[23]ペンシルベニア州中南部のブロードトップ・シンクリノリウムの側面と軸の露出もこれに含まれます。 [12]露出した地層はアレゲニー高原ではほぼ水平ですが、[34]アレゲニー・フロントに沿ってわずかにひっくり返った地層を形成しています。[35]ペンシルベニア州ウィンド・ギャップ から南に向かうと、地層の傾斜は急になり、リーハイ川沿いのボーマンズタウンで垂直になります。[30]近くのペンシルベニア州リーハイ・ギャップ地域では、マーセラス断層が広範囲に広がっており、[36] 地層は急激にひっくり返っており、逆傾斜角は南に最大40°です。[30]
マーセラス頁岩とマハンタンゴ層の中央付近の細粒頁岩は、地質学者によって斜面形成岩として分類されている。[37] 西に60°から75°傾斜したマーセラス頁岩とマハンタンゴ頁岩の層は、ウェストバージニア州東部パンハンドルのカカポン山背斜の西側にあるトノロウェイ尾根の西向き斜面を形成している。[38]この背斜の東側の枝では、東に浅い角度で傾斜したこれらの頁岩の層が、ウォームスプリングス尾根 の東側の急斜面も形成している。[38]
マーセラスは侵食されやすく、アパラチア山脈の間の低地の下にも見られ、中程度の起伏のある線状の谷を形成している。これらの岩盤表面は、周囲の高地を形成する地層学的に上位で侵食に強い地層の侵食によってできた崩積土で覆われているのが一般的である。 [12]マーセラスとその上にあるハミルトン頁岩から形成された土壌は深く、石を含まず、農業に適している。[10] マーセラスの岩盤で形成された土壌のサンプルを採取したところ、主要な鉱物は石英、イライト、モンモリロナイト、白雲母、黒雲母で構成されており、岩盤に近い深さではトドロキ石とトロナの相が見られることがわかった。 [39]
軟らかい頁岩の反転した層は、ポコノス山麓のアクアシコラ・クリークやマクマイケル・クリークのような走向谷や、ウェストバージニア州のロスト川 の長くまっすぐな部分にある川や小川も比較的まっすぐな部分で捕らえている。[30]ニューヨーク州ポート・ジャービス の下流では、ウォルパック・リッジがデラウェア川をミニシンク・バレーに逸らし、そこで浸食されたマーセラス層の南西走向に沿ってペンシルベニア州とニュージャージー州の州境に沿って40km (25マイル) 続き、デラウェア・ウォーター・ギャップ国立レクリエーションエリアのウォルパック・ベンドの尾根の端まで続く。[1] [41] ミニシンクは埋没谷で、デラウェア川は最終氷期に浸食されたマーセラス岩盤を埋めた氷河漂砂層を流れる。この埋没谷は、マーセラス川の流域に沿って、ペンシルバニア州ストラウズバーグの屈曲部から南西に、そしてポートジャービスからハドソン川に向かって北東に、デラウェア・ハドソン運河 のルートに沿って続いています。[41 ]
地層学
地層学的には、マーセラスはデボン紀ハミルトン層群の最下層で、いくつかのサブユニットに分かれている。1836年に始まった最初のペンシルバニア地質調査所で、ヘンリー・ダーウィン・ロジャーズはマーセラスを「下層黒色粘板岩」に分類し、「No. VIII b」と番号をつけた。[43]また、同じ年に始まった最初のニューヨーク州地質調査所では、ジェームズ・ホールが1839年の報告書「セネカ郡のマーセラス頁岩」で「マーセラス頁岩」という用語を確立した。[44]ホール教授はまた、1839年に、場所によって異なるか将来的に修正が必要になる可能性のある観察された特徴に基づいて地質学名を定式化することに反対し、「岩石または岩石群は、それが最も発達した場所からその名前が付けられる」場所に基づいた命名法を支持した。[45]彼の議論は説得力があり、この場所に基づいた名前や、ニューヨークでの露出に基づいて彼が発表した他の多くのグループ名は、ペンシルベニアの第2回調査で採用され、現在では広く受け入れられています。
上位ユニット
ニューヨークでの最初の調査では、マーセラス頁岩はニューヨーク系のエリー分流の基部にあるハミルトン層の下に位置していたが、この分類法は時代遅れとなっている。[41]
現在は、マーセラス頁岩（略称DmまたはDms）はハミルトン層群 （Dh）の基底層として分類されており[17] 、ペンシルバニア州[46]とメリーランド州にあるこの層のマハンタンゴ層 （Dmh）の下に広がっている。ニューヨーク州では、同じく中期デボン紀のマハンタンゴ層がさらに細分化されている。そこでマーセラスは、薄いスタッフォードまたはモットビル石灰岩層によって、その上にあるスカネアテレス層（より砕屑性で化石を多く含む暗色頁岩）から分離されている。[47] [48]
ウェストバージニア州では、マーセラス層は、時折見られる砂岩層やコンクリーションによってマハンタンゴの褐色頁岩から分離されている可能性がある[49]。あるいは、不整合[50]によって、より新しい後期デボン紀のハレル層（またはその側方の同等層）の 真下に位置している可能性がある。これは、侵食または堆積がなかった期間による地質学的記録のギャップを表す。オハイオ州東部では、ハミルトン層は、マーセラス層と類似した特徴を持つ別の海進黒色頁岩舌であるウェストフォールズ層のラインストリート頁岩層の下にも不整合で位置している。[51]
基礎となるユニット
マーセラス頁岩は、通常、デボン紀前期 末まで続くオノンダガ層（ドン）の石灰岩の上に堆積している。両者の接触は、鋭いもの、段階的なもの、または侵食的なものの場合がある。カナダのオンタリオ州南西部、エリー湖の北では、マーセラスはオノンダガ層の側方相当物であるダンディー層を覆っている。[52] [53] ペンシルバニア州では、マーセラスはオノンダガ層のセリンズグローブ石灰岩層と鋭く整合した接触を形成している。[54] 薄い黄鉄鉱炭酸塩層は、ペンシルバニア州南中部の露出部にあるマーセラス黒色頁岩の基部、オノンダガ石灰岩の上にある薄い石灰質緑色頁岩層の上にも見られる。[19]
ニューヨーク州東部では、マーセラスとオノンダガ（存在する場合）の接触は段階的である。[55] [56] ニューヨーク州西部では、マーセラスのユニオンスプリングス層がオノンダガ石灰岩のセネカ層を整合的に覆っている。 [13] または、ユニオンスプリングス頁岩がない場合、地層学的に上位のチェリーバレー石灰岩層がオノンダガの上に直接不整合に載っている可能性がある。[57] [52] オノンダガのユニットが局所的に消失していることは、マーセラスとの上部の接触が侵食されている可能性があることを示唆している。[57]ニューヨーク州西部のエリー郡 では、マーセラスの上部と下部の接触の両方が侵食されている。[58]
ウェストバージニア州東部では、マーセラス層はオネスクソー層群の上に重なり合っており、オネスクソー層群は暗灰色または緑色で方解石質、主に非核分裂性のニードモア頁岩から成り、西に向かってハンターズビルチャート層へと移行している。[49] 南西では、ハミルトン層群が西に向かって南ウェストバージニア州とバージニア州のミルボロ頁岩層へと横方向に移行しており、[59]テネシー州 のチャタヌーガ頁岩の下部へと移行している。[60]
ミルボロは、その下にあるニードモア層の頁岩と段階的に重なり合っている。[60]メイソン・ディクソン線 の南では、限られた露出面積でミルボロ頁岩とニードモア頁岩を区別することが困難であったこと と、ニューヨークの調査との相関関係が当初不確実であったことから、それらはロムニー層として地図化された。これは中期デボン紀の地層をすべて含む単位で、[38]ウェストバージニア州ロムニー の露出にちなんで名付けられた。[3] この相関関係は、1916年までにニューヨークの露出をペンシルベニアとメリーランドを横切ってウェストバージニア州まで追跡することによって確立されたため、科学的優先の原則により、[38] ロムニーの分類は現在では廃止されているが、そのマーセラスと下にあるニードモア頁岩のメンバーは、依然として区別されていない地図単位 (Dmn) にグループ化されている。[62]
タイオガのトネリコのベッド
タイオガ メタベントナイトまたは K-ベントナイトは、厚さ約 0.6 メートル (2 フィート) の地層単位で、いくつかの独立した比較的薄い火山灰の降下物で構成されており、ペンシルベニア州東部のマーセラスの麓に含まれています。[46] 1843 年にホールによって名前が付けられることなく記述され、[64] 100 年以上経ってから、ペンシルバニア州タイオガ郡の天然ガス田にちなんで命名されました。[ 65 ]ガス井を掘削している ときに発見されたものです。これは地域の地層マーカーであり、[59] 地質学者がマーセラスを特定し、[66] 横方向に同等の地層を相関させるために使用します。 [52] [67]デボン紀には 15 層以上の層で収集された 80 種類以上の火山灰の降下物を正しく特定することが困難であり[68] 、多くの誤相関も生じています。[69]
タイオガ川はバージニア州からニューヨーク州にかけて広く分布しており、アパラチア盆地の中央部と北部を流れています。[70] その面積は265,000 km 2 (102,000 平方マイル)を超えます。[71] 現在のバージニア州中央部付近で発生したアカディア造山運動に伴う爆発的な噴火[72]により、火山灰が大気中に放出されました。 [65]デボン紀にはこの地域は南半球にあったため、火山灰は南からの貿易風によってアパラチア、ミシガン、イリノイ盆地 に拡散しました。 [71] 火山灰の起源は、その独特の鉱物学的特徴によって証明されています。火山灰は水面に直接堆積したため、角張った石英粒子は、海に運ばれる侵食作用で丸くなった砕屑性堆積物とは異なります。[69]火山灰が底に沈むと、これらの陸源成分と混ざり合い、堆積岩に独特の岩相を形成しました。[69]
タイオガ層は、灰色、茶色、黒色、またはオリーブ色の層、または分裂層として地層中に現れ、[69] 粗い結晶凝灰岩または凝灰質頁岩で構成され、[65] 砂大の雲母片を伴う薄い層状になっている。[73] タイオガの灰層帯は、地層の順序に従って A (最古) から H (最新) まで分類された 8 つの灰層と、[70] [74] タイオガ中粗粒帯として知られる別の層から構成されている。[68] [71] その基底層はオノンダガ石灰岩またはニードモア頁岩の最上部層内に見られ、最上部の灰層はマーセラスまたはミルボロ頁岩の最下部内にある。[59] ニューヨーク州西部では、タイオガ灰床Bがオノンダガ層のムーアハウス層とセネカ層の境界となっているが、[75] 州の中央部と盆地の南部では、灰床は実際にはマーセラス層にある。[56] [70] [76]これは、 灰床が地質時代の単一の時代を表しているため 、マーセラス層の堆積がより早く始まったことを示している。 [56]
厚さ
マーセラス頁岩の最大の厚さは、ニュージャージー州では270メートル（890フィート）[1]から、 カナダでは12メートル（40フィート）[27]までで ある。ウェストバージニア州では、マーセラス頁岩の厚さは60メートル（200フィート）にもなる。[49] ペンシルベニア州最東端では、厚さは240メートル（790フィート）[41]で、西に向かうにつれて薄くなり、オハイオ川 沿いではわずか15メートル（49フィート）の厚さになり、オハイオ州リッキング郡ではわずか数フィートになる。[77]東から西への 薄化、つまり地層の収束は、東から盆地に入った砕屑性堆積物の粒径が減少することによって生じる。 [67]堆積がシンシナティアーチ[51] [78] によって制限されたため、層は最終的に西に向かって「狭まり」 ます。シンシナティアーチは盆地の西岸を形成した隆起です。層が比較的厚い場所では、いくつかの層に分かれており、層が東に向かって厚くなり続けると、これらの層はさらに分割されます。一部の研究者は、マーセラスをサブグループとして分類し、いくつかの層を別々の層として分類することを選択しました。
指名メンバー
地元のパーセル石灰岩層は、方解石質頁岩と石灰岩が互層する厚さ15～30メートル（49～98フィート）の層で、[67] ペンシルベニア州東部のマーセラス川を分断している。[46] パーセルは、地層学的にはニューヨーク州のチェリーバレー石灰岩層に相当し、[79]生物 砕屑岩 [ 13]は骨格石灰岩からなり、下部の塊状石灰岩層、厚い結節性石灰岩/泥灰岩、上部の石灰岩層の間に頁岩の間隔[ 18 ]がある。 [80] その他の名前の付いた層には、バコベン頁岩、カーディフ頁岩、チッテンナンゴ頁岩、ソルズビル砂岩、ユニオンスプリングス頁岩と石灰岩[81]およびストーニーホロー頁岩と石灰岩がある。[82]ユニオンスプリングス、チェリーバレー、オアトカクリークはエリー湖の下で合流し、オンタリオ州のベル頁岩、ロックポート採石場石灰岩、アルコナ頁岩を形成します。[52]
ユニオンスプリングスは、有機物に富み、黄鉄鉱を多く含み、層が薄く、黒っぽい灰色から黒色の頁岩で、泥岩のコンクリーション層があり、[80]底に薄いシルト帯がある。東側では、バコベン層となり、より暗く、有機物が少なく、石灰岩層が少ない頁岩となる。[18]西側では、ユニオンスプリングスの層は薄く、上部の石灰岩は上部の石灰質チェリーバレー層と融合している。[18]ユニオンスプリングスがレンズのように入り込んだり出たりすると、ニューヨーク州西部に地域的な不整合が現れ、[18]その後、ペンシルベニア州北西部とオハイオ州北東部のオノンダガとチェリーバレーの間に再び現れる。[52]
ニューヨーク州西部と中央部では、最上部の層は有機物に富む暗灰色から黒色のオアトカクリーク頁岩である。この地域の他のデボン紀頁岩とは異なり、オアトカクリーク上部の灰色頁岩は東だけでなく西にも徐々に厚くなり、[83] ニューヨーク州中央部のチッテンナンゴ層の上部にあるカーディフ層に分かれる。[18] 有機物に富む、分裂しやすい煤けた黒色の頁岩がチッテンナンゴ層を構成している。[80] チッテンナンゴの基部[84] 、 ビアーン層頁岩の上部には[85] 、高度に生物撹乱を受けた生物砕屑性石灰岩で あるハリハンヒル層がある。[13]
さらに東に進むと、均質なカーディフ層は、基部から上部にかけて、ブリッジウォーター、ソルズビル、ペックスポート頁岩層に分かれる。ブリッジウォーターは、比較的珍しい化石を含む分裂性の暗色シルト質頁岩である。その上に薄いコンクリーション帯があり、その次にソルズビルは灰色の石灰質頁岩から砂質シルト岩、上部の細粒砂岩へと段階的に変化し、その上にペックスポート頁岩とシルト岩の灰色頁岩が重なる。[86]
ペンシルベニア州中南部では、マーセラス層は上から下に向かって3つの層で地図化されている。マハノイ層 (Dmm) は暗灰色から灰黒色のシルト質頁岩およびシルト岩、ターキーリッジ層 (Dmt) はオリーブ色から暗灰色の細粒から中粒の砂岩、シャモキン層 (Dms) は暗灰色から灰黒色の分裂性炭素質頁岩で、底部付近の場所では石灰質である。[87]ターキーリッジは一般にマハンタンゴ層に地図化されているか[88]、モンテベロ層 (Dmot) に含まれており[89]、シャモキン層のみが隣接する地図シートでマーセラス層と相関している。[90]ペンシルベニア州最東端では、暗灰色のシルト質頁岩と暗灰色の頁岩質石灰岩の凝集体からなるブロードヘッドクリーク層が、ストーニーホローとユニオンスプリングスの上に最大275メートル（902フィート）の厚さで現れています。[91]
化石
マーセラス層には化石化した海洋動物の包有物が比較的まばらに見られるが[46]、これらの化石は古生物学にとって依然として重要である。例えば、マーセラス層には、殻の微細構造がよく保存された、最古の多様な薄殻軟体動物のコレクションが含まれている。 [93] また、イカに似た絶滅した殻を持つ遊泳動物であるゴニアタイトが化石記録に初めて登場したのもここである。 [94]マーセラス層の化石記録には、海に流れて黒色頁岩の中に保存された枝のない針葉樹 の幹など、陸上の生物も含まれている。 [31] [32]
マルセラスの化石には、二枚貝のような大きな腕足動物スピノキルティアの標本が含まれている。 [ 95]ヒトデに似た植物のような動物で「ウミユリ」としても知られるウミユリ類の 外部鋳型が 地層で発見されており[96] [97] 、鋳型には部分的に褐鉄鉱 が詰まっている。腕足動物と二枚貝（二枚貝）の鋳型も頁岩で発見されている。[98]チッテンナンゴ層では、 小さな円錐形の触手類がよく見られる。[80]ハリハン丘陵の層には、腕足動物、サンゴのようなコケムシ類、小さな二枚貝、腹足類（巻貝） を含むスティリオリニド類と大型動物が含まれ[13] 、エムシアンおよびアイフェリアンのショハリー/オノンダガ動物群がジヴェティアン・ハミルトン動物群に置き換えられた動物相の転換 後に取り込まれた。[84]
ソルズビル層には、保存状態の良い二枚貝、腹足類、腕足動物が含まれる。[86]これらの貝類は、古代のキャッツキル・デルタの西に存在した沿岸海域から外洋環境の底部の底生帯に生息していた。[99] この層の化石記録によると、基底部は堆積物摂食動物が優勢で、上層部は濾過摂食動物が優勢であったことが示されている。[99]これは岩相と関連している可能性がある。この層基底部の頁岩の細かい堆積物には、堆積物摂食動物にとって付着性の高い有機物が豊富に含まれるが、浮遊すると濾過摂食動物のえらを汚す傾向がある。一方、上部の砂岩の粗い堆積物には、堆積物摂食動物を支える有機物は少なかった。[99] ソルズビルの下、ニューヨーク州東部のオツェゴ川の基底にはサンゴ床が見られる。ニューヨーク州バーン近郊のマーセラス山の頂上にも別のサンゴ礁が見られる。[100]
チェリーバレー層[101]の石灰岩には、ウナギに似た多様なコノドント動物相が見られ、この層はオウムガイ類やゴニアタイト頭足動物相が 豊富なことでも知られている。[80]もともとゴニアタイト石灰岩 と名付けられたこの層は、[102] 殻の直径が0.3メートル（1フィート）を超えることもある化石化した遺骸を産出する。[43]また、ニューヨーク州東部のショーハリーバレー には「頭足動物の墓場」があり、数種類の大型成体頭足動物の巻き殻や真っ直ぐな殻が豊富に存在する珍しい堆積物である。この層には幼生の化石がなく、その行動が現代のイカに似ていたとすれば、この地がこれらのデボン紀の頭足動物が繁殖し、死んだ場所であった可能性があることを示している。[103] この地層は、岩石単位の比較的薄い部分で化石分類群が突然現れたり消えたりする侵入エピボールの優れた例でもあります。 [104]チェリーバレーでは、分類群は再出現せず、代わりに薄いコンクリーション石灰岩層ごとに異なる種のゴニアタイトが含まれています。[104] チェリーバレーとユニオンスプリングスには、保存状態の良いアナルケスティダも含まれています。[105]
年
地質学的な時間スケールでは、マーセラスは顕生代古生代デボン紀中期デボン 紀に出現する。ペンシルバニア州産のマーセラスのサンプルの放射年代測定では3億8400万年前、オノンダガ 山頂のベントナイトのサンプルでは3億9000±50万年前と判定された。[106]
マーセラス層の相対年代測定によると、その層はジヴェーティアン 動物相段階のカゼノビア亜区、つまり3億9190万年前から3億8370万年前（Ma）に位置付けられている。[81]ニューヨーク州マーセラス層の基部にあるユニオンスプリングス層は、ジヴェーティアン直前の段階であるアイフェリアン の終わりに遡る。 [107] 層の無酸素性の暗色頁岩はカチャク事象を示している。[108] これはアイフェリアン後期 の海洋無酸素事象であり、絶滅事象とも関連している。[109] 2012年にリードとエリクソンもこの層をアイフェリアンと描写した。[110]
堆積環境の解釈
黒色頁岩が主な岩相であるが、約4億年前の堆積時の海面変動により、より軽い頁岩や石灰岩の層も混ざっている 。[72]黒色頁岩は酸素のない比較的深い海に堆積したため、化石はまばらにしか含まれていない。化石のほとんどは石灰岩層に含まれており、これらの層の化石記録は動物相のターンオーバーに関する重要な古生物学的知見を提供している。
アカディア造山運動の初期、アカディア山脈が隆起するにつれ、山脈の浸食により陸源堆積物が陸から海に堆積し、ハミルトン層の黒色および灰色頁岩が堆積し始めた。[17]マーセラス頁岩は、山脈と平行に形成された比較的深く、堆積物と酸素が不足した（無酸素）溝 の最初の堆積物から形成された。[111] これらの岩石の砕屑物は、網目状の小川に乗って古代のキャッツキル・デルタ（おそらく現在のアフリカのニジェール・デルタに似た河川デルタ）に運ばれた。[112]
より小さな粒子は、この外洋の海に長く浮遊したまま、ゆっくりとしたが持続的な海底雪崩でタービダイトとして沖合に流れていった。最終的に、アパラチア盆地のアカディア前涸れの底にたどり着いた。[113]海岸から数百メートル離れた、おそらく水面下 150 メートル (490 フィート) かそれ以上の深さであったと思われる。[13] あるいは、温水が十分に成層化していて、酸素を豊富に含む表層水が無酸素の底水と混ざらなかったとすれば、盆地は 50 メートル (160 フィート) かそれ以下と浅かった可能性がある。 [114] マーセラス堆積物は海進黒色頁岩を生成した。[51] これは、盆地の底が山々の隆起に伴って沈下した際に堆積したためである。[115]
マーセラス層の暗い頁岩相は、深海で堆積した細かい泥であるフライシュから形成された。マーセラス層を堆積させた海が深くなったことで、石灰岩を形成する炭酸塩の供給が遮断され、細かいフライシュの堆積物がオノンダガ石灰岩層を埋め尽くした。[116] [117]おそらくプランクトン が大部分を占める有機物も底に沈殿したが、嫌気性環境では通常の好気性分解プロセスが阻害され、有機炭素が保存された。[118] [119] ウランもこれらの有機泥に堆積時に組み込まれた。[14] つまり、後から地層に導入されたのではなく、同時に堆積したということである。[120] 有機物は海水から微量元素を捕捉し、[28]これには酸化還元に敏感な元素であるウラン、レニウム、モリブデン、オスミウム、クロム、セレン が含まれる。[121]
マーセラス層は陸上植物の発達期に堆積し、大気中の酸素が増加して大気中の二酸化炭素が減少し、堆積した海水も減少した。[122] マーセラス層の命名された層は2つの複合堆積シーケンスを反映しており、[123] 全体的に粗大化する上向きのサイクルが、上にあるマハンタンゴ層の基部まで続いている。[37]より 軽い頁岩と石灰岩層の互層は、盆地の深さの比較的短期的な変動に起因する。[124] その後の深海堆積シーケンスにより、上にあるブラリエ層とハレル層が形成された。[113]
経済資源
天然ガス
シェール層には未開発の天然ガス埋蔵量が多く含まれており、米国東海岸の需要の高い市場に近いことから、エネルギー開発と輸出の魅力的なターゲットとなっている。[125]
マーセラス天然ガス層は、ペンシルバニア州とウェストバージニア州にまたがり、オハイオ州南東部とニューヨーク州北部まで広がる 104,000 平方マイルの面積を誇り、米国最大の天然ガス源であり、2013 年も生産量は急成長を続けています。マーセラスはシェールガス (浸透性の低い頁岩に閉じ込められた天然ガス) の一例であり、ガスを坑井に流すには水圧破砕法による坑井完成法が必要です。2008 年以来マーセラス頁岩での掘削活動が急増したことで、経済的利益と環境的懸念の両方が生じ、大きな論争を巻き起こしています。
鉄
黒色頁岩には、この地域の初期の経済発展に使われた鉄鉱石や、環境に有害なウランや黄鉄鉱も含まれている。マーセラス層の基部、炭素質黒色頁岩と緑色石灰質頁岩層の間にある黄鉄鉱炭酸塩層では、 [19]黄鉄鉱、炭酸塩、地下水が反応してゴッサン 酸化鉄と石膏が形成された。[126]転換に必要な地下水が浸透できる限り、黄鉄鉱炭酸塩は露頭や岩盤表面近くで使用可能な褐色赤 鉄鉱に転換された。 [30]マーセラス鉄鉱石は、18世紀後半に発見されて以来、20世紀初頭にミネソタ州のアイアンレンジの豊富な鉱床に取って代わられるまで、南中央ペンシルベニアで活発に採掘されていた。[127]鉱石は浅い坑道や坑道から簡単に発見・採掘できたが、使用可能な上部の鉱床が除去されたり、坑道が地表よりかなり深いところまで到達したりすると、使用できない未転化の黄鉄鉱鉱床しか発見されなかった。[19]
赤鉄鉱は、ジュニアータ川流域のマーセラス層やその他の層の採掘可能な鉱床の近くに建設された木炭燃料の石造高炉で銑鉄に変換されました。 [127]この地域の鉄製品は「ジュニアータ鉄」として知られ、アメリカ独立戦争から南北戦争までの期間に生産されました。これらの高炉は当時この地域の経済にとって重要でしたが、[128]通常使用されていた冷間高炉の石造高炉は非効率で、近くの広葉樹林からの木材を大量に消費したため、最終的に高炉は消滅しました。[129]典型的な炉では、2,400 kg（5,300ポンド）のヘマタイト鉱石と7.3 m 3（200 imp bu）の木炭を使用して910 kg（2,010ポンド）の銑鉄を生産し、[19] 1日あたり数千ポンドの生産が可能で、毎日4,000 m 2 （1エーカー）以上の森林を伐採する必要がありました。[130]
マーセラスの鉱石は厚さが異なり、加工できないほど薄くなったり、加工可能な層の間の場所では完全に消えてしまったりしました。[19] [131]鉱石の品質も異なり、[19]マーセラスの鉄鉱山の近くに建てられたいくつかの炉は、燃料として使用される鉱石と木材資源が不足する前に放棄されたため、精錬が常に利益を生むとは限りませんでした。[131]
黒いスレート質頁岩に挟まれて見つかった鉱石には、炉で燃焼した炭素と硫黄が比較的多く含まれており、使用可能な「赤鉄」が生成された。 [ 132] 赤鉄は、特に赤熱状態に加熱されると、酸化しやすく割れやすいという望ましくない特性がある。[133] ペンシルバニア州のいくつかの場所では、鉱石の品質は非常に良く、比較的深い鉱脈には45％の鉄が含まれており、硫黄は非常に低かった。[19] バージニア州では、マーセラス鉱石に亜鉛が含まれることがあり、それが消費されると炉の中で特徴的な緑の炎が発生したが、カドミアと呼ばれる不純な酸化亜鉛の硬い塊が堆積し、それが時間の経過とともに煙道の上部近くに蓄積したため、定期的に除去して閉塞しないようにする必要があった。[134]
鉄顔料
黄鉄鉱包有物と反応した排水により、マーセラスのいくつかの露頭の近くに泥鉄の一種も堆積した。19世紀には、これらの鉱床からの鉄鉱石が鉱物塗料の顔料として使用された。窯で加熱され細かく粉砕された後、亜麻仁油と混合され、納屋、屋根付き橋、鉄道車両の外装木材の塗装に使用された。[30]泥鉄に加えて、ペンシルベニア州東部のいくつかの傾斜地では、土壌の下に埋もれたマーセラスの岩盤の上に茶色の赤鉄鉱が横たわっているのが発見された。これらの鉱床も当時採掘され、鉱物塗料に使用されていた。[41]マーセラスのほぼ真下にも赤鉄鉱塗料鉱石の層が発見されているが、これは実際には下にあるオリスカニー層の一部である。[30]
鉄分
ペンシルバニア州ベッドフォードのマーセラス川の麓近くの鉄分を含む泉から湧き出る鉄分を豊富に含む「含鉄水」は、ネイティブアメリカンによって治癒力があると信じられていた。ベッドフォード スプリングス ホテルは、1802 年に一連の鉱泉の周りに建てられた鉱泉温泉で、その 1 つが「鉄分泉」である。近くに 1851 年に建てられた鉄分を含む 3 つの鉱泉の周りには、別の鉄分を含む泉があり、[135]「病人のためのリゾート」となった。[136] 鉄分を豊富に含む水は、貧血やそれに関連する合併症に処方された。[137]これらの鉱泉には、溶解した炭酸鉄の形で鉄分が含まれており、[136]そのため、これらの水は「わずかにインクのような味」をしている。[137]
その他の用途
マーセラスは、頁岩骨材や一般的な埋め立て地としても地元で使用されてきたが[ 12 ] 、黄鉄鉱頁岩は酸性岩の排水と体積膨張のため、この目的には適していない。[138] 19世紀には、この頁岩は歩道や道路に使用され[20] 、細かい粒子の破片がしっかりと詰まっていて、雨の後も水はけが良いため、優れた「道路用金属」と考えられていた。[30]
暗色のスレート質頁岩は加工に必要な劈開性と硬度を備えていると考えられ、 19世紀にはペンシルベニア州東部で低品位の屋根用スレートとして採掘された。マーセラスのスレートは、さらに南で採掘されたマーティンズバーグ層のスレートより品質が劣っていたため、ほとんどの採石場は放棄され、最後の重要な採石場はランカスター郡であった。[30]マーセラスの黒いスレートは、19世紀の田舎の学校の生徒が使用する学校用スレートとして、ペンシルベニア州モンロー郡でも採掘された。[30]
マーセラスなどの炭素質頁岩は、地球温暖化の緩和のための炭素回収・貯留の対象となる可能性がある。炭素はメタン （CH 4 ）よりも二酸化炭素 （CO 2 ）を吸着する速度が速いため、地中隔離のために地層に注入された二酸化炭素は、炭層メタン回収促進法に類似したプロセスで追加の天然ガスを回収するためにも使用できるが、この理論的な技術の実際的な価値はまだわかっていない。[51]科学者たちは、液体CO 2を超臨界状態に保つには地表から少なくとも800メートル（2,600フィート）下の深部塩水層で吸収よりも浅い深さで隔離できると信じている。[21]
エンジニアリングの問題
分裂性頁岩は侵食されやすいため、土木工学や環境工学上の新たな課題が生じます。
バージニア州とペンシルベニア州の切土・盛土工事による露出により、黄鉄鉱含有物の酸化により局所的に酸性岩石排水が発生している。 [139] 切土面の新たに露出した頁岩は急速に風化し、空気と水が掘削されていない岩石に入り込み、降雨後に酸性の表面流出を引き起こす。 [140] 酸性の流出は水生生態系を破壊し、この流出によって汚染された酸性度の高い土壌は植生を支えられず見苦しく、土壌浸食の問題を引き起こす可能性がある。[139]
頁岩が自然に分解して小さな破片になると、斜面の安定性に影響を及ぼし、切盛土作業でより多くの材料をかき乱す必要のあるより緩やかな斜面が必要になり、酸性岩の排水問題が悪化します。切土された材料は体積膨張のため道路や構造物の下の埋め立てには使用できず、問題がさらに悪化します。[66]タイオガの灰床にはベントナイト 粘土が含まれており、掘削されていない岩石でも地滑りの危険があります。 [66]
黄鉄鉱マーセラス頁岩からなる盛土の上に建てられた構造物の損傷は、硫酸 （H 2 SO 4）の流出が頁岩中の方解石 （CaCO 3 ）と反応してモル容積が2倍の石膏 （CaSO 4 ）を生成することによる膨張によって引き起こされている。[141]黄鉄鉱との反応で生成される可能性のある 他の硫酸鉱物には、無水石膏、メランテライト、ローゼナイト、ジャロサイト、および明礬石がある。[138]これらの反応は500 kPa（1平方フィートあたり10,000ポンド）程度の浮上圧力を生み出しているが、5階建ての建物の基礎 を浮上させるのに十分なこの4倍の圧力を生み出す可能性がある。[138]酸性排水を中和するために使用される石灰岩は、硫酸塩-硫酸塩反応を促進し、さらに高いモル体積を持つ鉱物であるソーマサイトとエトリンガイトを形成することで、膨張問題を悪化させる可能性があります。[138]
地下のハミルトン・グループの頁岩にボーリング孔を掘るのは問題が起こり得る。マーセラスは比較的密度が低く、これらの頁岩は一部の掘削流体と化学的に適合しない可能性がある。頁岩は比較的脆く、圧力によって割れる可能性があり、掘削流体がボーリング孔を通って循環する際に問題を引き起こす。これは循環喪失と呼ばれる。地層は圧力不足になる可能性があり、掘削プロセスをさらに複雑にする。[51]
参照
- ニュージャージー州の地質
- ペンシルバニア州の地質
- ウェストバージニア州の地質
- マーセラス層からのガス生産のインタラクティブなタイムライン
- ピッツバーグ石油地質学者協会
- シェールガス
- 米国のシェールガス
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外部リンク
- マーセラス頁岩における天然ガスの掘削と開発の創造的な探究
- マーセラスシェールクリアリングハウス – 北東ペンシルベニアウィルクス大学エネルギー環境研究所
- ペンシルベニア州立大学が所蔵する、キャプション付きのマーセラス層の露頭画像
- サスケハナ川流域マーセラス頁岩の分布地図
- ピッツバーグ石油地質学者協会PAPGの出版物にはマーセラス頁岩が含まれる
- マーセラス頁岩リンク マーセラス頁岩に関する政府および非政府サイトへの地図とリンク
- 天然ガスがエネルギーマップを変える マーセラスシェールのガスの可能性に関する MIT テクノロジーレビューの記事 (簡単な概要のみ無料)
- 環境のための市民運動: キャンペーン: シェール層における天然ガスの水圧破砕
- FracTracker: ブログとシェールガスデータおよびマッピングシステム
- FrackTrack: ペンシルバニア州マーセラス頁岩マッピング アプリケーション
- マーセラス地域の経済学者
- バックネル大学マーセラスシェールイニシアチブ出版物データベース