В геологии окремнение — это процесс окаменения , при котором жидкости, богатые кремнием, просачиваются в пустоты земных материалов , например, камней, древесины, костей, ракушек, и заменяют исходные материалы кремнием (SiO 2 ). Кремний — это естественно существующее и распространенное соединение, встречающееся в органических и неорганических материалах, включая земную кору и мантию . Существует множество механизмов окремнения. При окремнении древесины кремний проникает в трещины и пустоты в древесине, такие как сосуды и клеточные стенки, и заполняет их. [1] Исходное органическое вещество сохраняется на протяжении всего процесса и будет постепенно разлагаться с течением времени. [2] При окремнении карбонатов кремний заменяет карбонаты в том же объеме. [3] Замена осуществляется путем растворения исходных минералов породы и осаждения кремния. Это приводит к удалению исходных материалов из системы. [3] [4] В зависимости от структуры и состава исходной породы кремний может заменять только определенные минеральные компоненты породы. Кремниевая кислота (H 4 SiO 4 ) в обогащенных кремнеземом жидкостях образует линзовидный, узелковый, волокнистый или агрегированный кварц , опал или халцедон , который растет внутри породы. [5] Силицификация происходит, когда породы или органические материалы контактируют с богатыми кремнеземом поверхностными водами, захоронены под осадками и восприимчивы к потоку грунтовых вод или захоронены под вулканическим пеплом. Силицификация часто связана с гидротермальными процессами. [1] Температура для силицификации варьируется в различных условиях: в условиях захоронения или поверхностных вод температура для силицификации может составлять около 25°−50°; тогда как температуры для включений кремнистой жидкости могут достигать 150°−190°. [6] [7] Силицификация может происходить во время синседиментационной или постседиментационной стадии, обычно вдоль слоев, отмечающих изменения в осадконакоплении, такие как несогласия или плоскости напластования . [5] [8]
Источники кремния можно разделить на две категории: кремний в органических и неорганических материалах. Первая категория также известна как биогенный кремний , который является вездесущим материалом в животных и растениях. Последняя категория является вторым по распространенности элементом в земной коре. [9] Силикатные минералы являются основными компонентами 95% известных в настоящее время горных пород. [10]
Биогенный кремний является основным источником кремния для диагенеза. Одним из ярких примеров является присутствие кремния в фитолитах в листьях растений, т. е. злаков и хвощовых . Некоторые предполагают, что кремний, присутствующий в фитолитах, может служить защитным механизмом от травоядных животных, где присутствие кремния в листьях затрудняет пищеварение, нанося вред приспособленности травоядных. [11] Однако доказательств влияния кремния на благополучие животных и растений все еще недостаточно.
Кроме того, губки являются еще одним биогенным источником встречающегося в природе кремния у животных. Они относятся к типу Porifera в системе классификации. Кремниевые губки обычно встречаются в окремненных осадочных слоях , например, в формации Яньцзяхэ в Южном Китае. [12] Некоторые из них встречаются в виде губчатых спикул и связаны с микрокристаллическим кварцем или другими карбонатами после окремнения. [12] Они также могут быть основным источником осадочных слоев, таких как слои кремня или кремни в окаменелых лесах. [12]
Диатомовые водоросли , важная группа микроводорослей, живущих в морской среде, вносят значительный вклад в источник диагенетического кремнезема. Их клеточные стенки состоят из кремнезема, также известного как панцири диатомовых водорослей . [13] В некоторых окремненных осадочных породах обнаружены окаменелости диатомовых водорослей. Это говорит о том, что панцири диатомовых водорослей были источниками кремнезема для окремнения. [13] Некоторые примеры - окремненные известняки миоценовой формации Астория в Вашингтоне, окремненный игнимбрит в поле гейзеров Эль-Татио в Чили и третичные кремнистые осадочные породы в западных тихоокеанских глубоководных скважинах. [13] [14] [15] Присутствие биогенного кремнезема в различных видах создает крупномасштабный морской цикл кремнезема , который циркулирует кремнезем через океан. Поэтому содержание кремнезема высоко в активных областях подъема кремнезема в глубоководных отложениях. Кроме того, карбонатные раковины, отложившиеся в мелководных морских условиях, обогащают содержание кремния в районах континентального шельфа . [16]
Основным компонентом верхней мантии Земли является кремний (SiO 2 ), что делает его основным источником кремния в гидротермальных жидкостях. SiO 2 является стабильным компонентом. Он часто появляется в виде кварца в вулканических породах . Некоторый кварц, который получен из ранее существовавших пород, появляется в виде песка и обломочного кварца, которые взаимодействуют с морской водой, образуя кремнистые жидкости. [12] В некоторых случаях кремний в кремнистых породах подвергается гидротермальным изменениям и реагирует с морской водой при определенных температурах, образуя кислотный раствор для окремнения близлежащих материалов. В цикле горных пород химическое выветривание пород также высвобождает кремний в виде кремниевой кислоты в качестве побочных продуктов . [12] Кремний из выветренных пород вымывается в воду и откладывается в мелководных морских условиях. [17]
Присутствие гидротермальных флюидов необходимо в качестве среды для геохимических реакций во время окремнения. В окремнении различных материалов задействованы различные механизмы. При окремнении горных пород, таких как карбонаты, обычно происходит замена минералов посредством гидротермального изменения; в то время как окремнение органических материалов, таких как древесина, является исключительно процессом проницаемости. [17] [18]
Замена кремния включает два процесса:
1) Растворение горных пород [18]
2) Осаждение кремнезема [18]
Это можно объяснить замещением карбоната кремнием. Гидротермальные жидкости недонасыщены карбонатами и перенасыщены кремнием. Когда карбонатные породы контактируют с гидротермальными жидкостями, из-за разницы в градиенте карбонаты из исходной породы растворяются в жидкости, тогда как кремний выпадает из нее в осадок. [18] Таким образом, растворенный карбонат вытягивается из системы, в то время как осажденный кремний перекристаллизовывается в различные силикатные минералы в зависимости от фазы кремния. [17] Растворимость кремния сильно зависит от температуры и значения pH окружающей среды [3], где pH9 является контролирующим значением. [18] При условии pH ниже 9 кремний выпадает в осадок из жидкости; когда значение pH выше 9, кремний становится высокорастворимым. [3]
При силикатизации древесины кремний растворяется в гидротермальной жидкости и просачивается в лигнин в клеточных стенках. Осаждение кремния из жидкостей приводит к отложению кремния в пустотах, особенно в клеточных стенках. [1] [19] Клеточные материалы разрушаются жидкостями, однако структура остается стабильной из-за развития минералов. Клеточные структуры медленно заменяются кремнием. Постоянное проникновение кремниевых жидкостей приводит к различным стадиям силикатизации, т. е. первичной и вторичной. Потеря жидкостей с течением времени приводит к цементации силикатированной древесины посредством позднего добавления кремния. [21]
Скорость окремнения зависит от нескольких факторов:
1) Скорость разрушения исходных клеток [21]
2) Наличие источников кремния и содержание кремния в жидкости [1] [3]
3) Температура и pH среды силицификации [1] [3]
4) Вмешательство других диагенетических процессов [3] [22]
Эти факторы влияют на процесс окремнения многими способами. Скорость разрушения исходных клеток контролирует развитие минерального каркаса, следовательно, замену кремнезема. [21] Наличие кремнезема напрямую определяет содержание кремнезема в жидкостях. Чем выше содержание кремнезема, тем быстрее может происходить окремнение. [1] Та же концепция применима к наличию гидротермальных жидкостей. Температура и pH окружающей среды определяют условия для окремнения. [3] [22] Это тесно связано с глубиной залегания или ассоциацией с вулканическими событиями. Вмешательство других диагенетических процессов иногда может создавать нарушения окремнения. Относительное время окремнения по отношению к другим геологическим процессам может служить ориентиром для дальнейших геологических интерпретаций. [1] [19] [21] [22]
В заливе Консепшн в Ньюфаундленде, юго-восточном побережье Канады, ряд вулканических пород, связанных с докембрийским и кембрийским периодами, были окремнены. Породы в основном состоят из риолитовых и базальтовых потоков с прослоями кристаллических туфов и брекчий. Региональное окремнение имело место как предварительный процесс изменения до того, как произошли другие геохимические процессы. [23] Источником кремнезема вблизи этого района были горячие кремнистые жидкости из риолитового потока в статическом состоянии. [23] Значительная часть кремнезема появилась в виде белого халцедонового кварца, кварцевых жил, а также зернистого кварцевого кристалла. [23] Из-за разницы в структурах пород кремнезем заменяет различные материалы в породах близкого расположения. Следующая таблица показывает замещение кремнезема в разных местах: [23]
В покрове Семайл в Омане в Объединенных Арабских Эмиратах был обнаружен окремненный серпентинит . Возникновение таких геологических особенностей довольно необычно. Это псевдоморфное изменение, при котором протолит серпентинита уже был окремненным. [24] Из-за тектонических событий базальный серпентинит был раздроблен, и грунтовые воды проникли вдоль разломов, образовав крупномасштабную циркуляцию грунтовых вод в пластах. [24] В результате гидротермального растворения кремнезем осаждался и кристаллизовался вокруг пустот серпентинита. [25] Поэтому окремнение можно наблюдать только вдоль путей подземных вод. [25] Окремнение серпентинита образовалось в условиях, когда поток грунтовых вод и концентрация углекислого газа низкие. [24] [25]
Окремненные карбонаты могут появляться в виде слоев окремненных карбонатных пород [3] или в форме окремненных карстов. Мадридский бассейн палеогена в Центральной Испании является форландовым бассейном, образовавшимся в результате Альпийского поднятия, примером окремненных карбонатов в слоях пород. Литология состоит из карбонатных и детритных единиц, которые были сформированы в озерной среде. Скальные единицы окремнены, где в слоях обнаружены кремни, кварц и опаловые минералы. [26] Он согласуется с нижележащими эвапоритовыми слоями, также датируемыми аналогичным возрастом. Установлено, что в пластах пород было две стадии окремнения. [26] Более ранняя стадия окремнения обеспечила лучшие условия и место для осаждения кремнезема. Источник кремнезема до сих пор не определен. [26] Биогенный кремнезем в карбонатах не обнаружен. Однако обнаружены микробные пленки в карбонатах, которые могут предполагать присутствие диатомовых водорослей. [26]
Карсты — это карбонатные пещеры, образованные в результате растворения карбонатных пород, таких как известняки и доломиты . Они обычно восприимчивы к грунтовым водам и растворяются в этих стоках. Окремненные карсты и пещерные отложения образуются, когда кремнистые жидкости попадают в карсты через разломы и трещины. [17] Среднепротерозойский мескальский известняк из группы Апачи в центральной Аризоне является классическим примером окремненных карстов. Часть карбонатов заменяется кремнями на раннем диагенезе, а оставшаяся часть полностью окремняется на более поздних стадиях. [17] Источник кремнезема в карбонатах обычно связан с присутствием биогенетического кремнезема; однако источником кремнезема в мескальском известняке является выветривание вышележащих базальтов , которые представляют собой экструзивные магматические породы с высоким содержанием кремнезема. [17]
Силицификация древесины обычно происходит в наземных условиях, но иногда это может происходить и в водной среде. [19] Силицификация поверхностной воды может происходить посредством осаждения кремнезема в горячих источниках, обогащенных кремнеземом. На северном побережье центральной Японии горячий источник Татеяма имеет высокое содержание кремнезема, что способствует силицификации близлежащих упавших деревьев и органических материалов. Кремнезем быстро осаждается из жидкостей, и опал является основной формой кремнезема. [18] При температуре около 70°C и значении pH около 3 осажденный опал состоит из кремнеземных сфер разных размеров, расположенных случайным образом. [18]
Мафическая магма доминировала на морском дне около 3,9 млрд лет назад во время перехода от хадея к архею . [27] Из-за быстрого окремнения начала формироваться кислая континентальная кора . [28] В архее континентальная кора состояла из тоналит-трондьемит-гранодиоритов (TTG), а также гранит - монцонит - сиенитовых свит. [28]
Гора Голдсуорси в кратоне Пилбара, расположенная в Западной Австралии, содержит один из самых ранних примеров окремнения с архейской обломочной метаосадочной последовательностью пород, раскрывающей поверхностную среду Земли в ранние времена с доказательствами окремнения и гидротермального изменения. Обнаружено, что извлеченные породы имеют преобладающий SiO2 с точки зрения минерального состава. [8] Последовательность подверглась высокой степени окремнения из-за гидротермального взаимодействия с морской водой при низких температурах. [8] Литологические фрагменты были заменены микрокристаллическим кварцем, а протолиты были изменены во время окремнения. [8] Состояние окремнения и присутствующие элементы предполагают, что температура поверхности и содержание углекислого газа были высокими во время или син-депозиции, или пост-депозиции. [8]
Пояс зеленых камней Барбертон в Южной Африке, в частности, супергруппа Эсватини возрастом около 3,5–3,2 млрд лет, представляет собой комплекс хорошо сохранившихся окремненных вулканических и осадочных пород. Окремненные вулканические породы, имеющие состав от ультраосновного до фельзитового, находятся непосредственно под слоем слоистого кремня. Породы более окремнены вблизи контакта слоистого кремня, что предполагает связь между отложением кремня и окремнением. [29] Зоны изменения кремния показывают, что гидротермальная деятельность, как и циркуляция морской воды, активно циркулирует в слоях породы через трещины и разломы во время отложения слоистого кремня. [30] Морская вода нагревалась и, следовательно, подбирала кремнистые материалы из-под вулканического происхождения. Обогащенные кремнием жидкости вызывают окремнение пород путем просачивания в пористые материалы на синседиментационной стадии в условиях низкой температуры. [30] [31]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)