stringtranslate.com

Диагенез

Форма диагенеза — перминерализация , при которой захороненные организмы заменяются минералами. Эти трилобиты ( Lloydolithus ) были замещены пиритом во время особого типа перминерализации, называемого пиритизацией .
Перминерализация в позвонках Valgipes bucklandi

Диагенез ( / ˌ d aɪ . ə ˈ dʒ ɛ n ə s ɪ s / ) — это процесс, описывающий физические и химические изменения в отложениях, которые сначала вызваны взаимодействием воды и горных пород, микробной активностью и уплотнением после их осаждения . Повышенное давление и температура начинают играть роль только по мере того, как отложения оказываются захороненными гораздо глубже в земной коре . [1] На ранних стадиях преобразование плохо консолидированных осадков в осадочную породу ( литификация ) просто сопровождается уменьшением пористости и вытеснением воды ( глинистые отложения), в то время как их основные минералогические комплексы остаются неизменными. По мере того, как порода переносится глубже за счет дальнейшего осаждения выше, ее органическое содержимое постепенно трансформируется в керогены и битумы .

Процесс диагенеза исключает поверхностное изменение ( выветривание ) и глубокий метаморфизм . Резкой границы между диагенезом и метаморфизмом нет , но последний происходит при более высоких температурах и давлениях . Гидротермальные растворы, метеорные грунтовые воды, пористость горных пород, проницаемость , реакции растворения/ осаждения и время являются влияющими факторами.

После осаждения осадки уплотняются, поскольку они погребаются под последовательными слоями осадка и цементируются минералами, которые выпадают в осадок из раствора . Зерна осадка, обломки горных пород и окаменелости могут быть заменены другими минералами (например, кальцитом , сидеритом , пиритом или марказитом ) во время диагенеза. Пористость обычно уменьшается во время диагенеза, за исключением редких случаев, таких как растворение минералов и доломитизация .

Изучение диагенеза в горных породах используется для понимания геологической истории, которую они претерпели, а также природы и типа флюидов, которые циркулировали через них. С коммерческой точки зрения такие исследования помогают оценить вероятность обнаружения различных экономически выгодных месторождений минералов и углеводородов .

Процесс диагенеза также важен в разложении костной ткани. [2]

Роль в антропологии и палеонтологии

Первоначально кальцитовый стебель криноидея (в поперечном сечении), диагенетически замещенный марказитом в сидеритовой конкреции; нижний карбон .

Термин диагенез, буквально означающий «через поколение», [3] широко используется в геологии . Однако этот термин проник в область антропологии , археологии и палеонтологии для описания изменений и перестроек, которые происходят в скелетном (биологическом) материале. В частности, диагенез «является совокупной физической, химической и биологической средой; эти процессы изменят исходные химические и/или структурные свойства органического объекта и будут определять его окончательную судьбу с точки зрения сохранения или разрушения». [4] [5] Для того чтобы оценить потенциальное воздействие диагенеза на археологические или ископаемые кости , необходимо оценить множество факторов, начиная с элементного и минералогического состава кости и окружающей почвы, а также местной среды захоронения (геология, климатология , грунтовые воды ). [5]

Композитная природа кости, состоящая на одну треть из органических веществ (в основном из белка коллагена ) и на две трети из минеральных веществ ( фосфат кальция, в основном в форме гидроксиапатита ), делает ее диагенез более сложным. [6] Изменения происходят на всех уровнях: от молекулярной потери и замены, через реорганизацию кристаллитов, пористость и микроструктурные изменения, а во многих случаях и до распада всего блока. [7] Были выявлены три основных пути диагенеза кости:

  1. Химическое разрушение органической фазы.
  2. Химическое разрушение минеральной фазы.
  3. (Микро)биологическая атака композита. [8]

Они следующие:

  1. Растворение коллагена зависит от времени, температуры и pH окружающей среды . [8] При высоких температурах скорость потери коллагена будет увеличиваться, а экстремальный pH может вызвать набухание коллагена и ускоренный гидролиз . [ 8] Из-за увеличения пористости костей за счет потери коллагена кость становится восприимчивой к гидролитической инфильтрации , где гидроксиапатит, имеющий сродство к аминокислотам , позволяет заряженным видам эндогенного и экзогенного происхождения поселиться. [2]
  2. Гидролитическая активность играет ключевую роль в превращениях минеральной фазы, которые подвергают коллаген ускоренной химической и биологической деградации. [8] Химические изменения влияют на кристалличность . [2] [9] Механизмы химических изменений, такие как поглощение F − или CO2−
    3    может вызвать перекристаллизацию , когда гидроксиапатит растворяется и повторно осаждается, что позволяет включить или заменить экзогенный материал. [2] [9]
  3. После того, как человека хоронят , микробная атака, наиболее распространенный механизм разрушения костей, происходит быстро. [8] Во время этой фазы большая часть коллагена кости теряется, а пористость увеличивается. [2] Растворение минеральной фазы, вызванное низким pH, обеспечивает доступ к коллагену внеклеточным микробным ферментам, таким образом, микробная атака. [8]

Роль в образовании углеводородов

Когда во время осадконакопления захоронены животные или растительные вещества, составляющие их органические молекулы ( липиды , белки , углеводы и лигнин - гуминовые соединения) распадаются из-за повышения температуры и давления . Это преобразование происходит в течение первых нескольких сотен метров захоронения и приводит к образованию двух основных продуктов: керогенов и битумов .

Общепринято, что углеводороды образуются в результате термического изменения этих керогенов ( биогеническая теория). Таким образом, при определенных условиях (которые в значительной степени зависят от температуры) керогены будут распадаться, образуя углеводороды посредством химического процесса, известного как крекинг , или катагенез .

Кинетическая модель, основанная на экспериментальных данных, может охватить большую часть существенных преобразований в диагенезе, [10] а математическая модель в уплотняющейся пористой среде для моделирования механизма растворения-осаждения. [11] Эти модели интенсивно изучались и применялись в реальных геологических приложениях.

Диагенез был разделен на основе углеводородного и углеобразующего генезиса на: эодиагенез (ранний), мезодиагенез (средний) и телодиагенез (поздний). На ранней или эодиагенезной стадии сланцы теряют поровую воду, углеводородов образуется мало или совсем не образуется, а уголь варьируется от лигнита до полубитуминозного . Во время мезодиагенеза происходит дегидратация глинистых минералов , происходит основное развитие нефтеобразования и образуются высоко- или низколетучие битуминозные угли . Во время телодиагенеза органическое вещество подвергается крекингу и выделяется сухой газ; развиваются полуантрацитовые угли . [12]

Ранний диагенез в новообразованных водных отложениях опосредован микроорганизмами, использующими различные акцепторы электронов как часть их метаболизма. Органическое вещество минерализуется, высвобождая газообразный диоксид углерода (CO 2 ) в поровой воде, который, в зависимости от условий, может диффундировать в толщу воды. Различные процессы минерализации в этой фазе - это нитрификация и денитрификация , восстановление оксида марганца , восстановление гидроксида железа , восстановление сульфата и ферментация . [13]

Роль в разложении костей

Диагенез изменяет пропорции органического коллагена и неорганических компонентов (гидроксиапатит, кальций, магний) кости, подвергающейся воздействию условий окружающей среды, особенно влаги. Это достигается путем обмена естественными компонентами кости, отложения в пустотах или дефектах, адсорбции на поверхности кости и выщелачивания из кости. [2] [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Маршак, Стивен (2009). Основы геологии (3-е изд.). WW Norton & Company . ISBN 978-0393196566.
  2. ^ abcdef Хеджес, RE (2002). «Диагенез костей: обзор процессов». Археометрия . 44 (3): 319–28. doi : 10.1111/1475-4754.00064 .
  3. ↑ Оксфордский словарь английского языка.
  4. ^ Уилсон, Лин; Поллард, А. Марк (2002). «Сегодня здесь, завтра там? Интегрированное экспериментирование и геохимическое моделирование в исследованиях археологических диагенетических изменений». Accounts of Chemical Research . 35 (8): 644–651. doi :10.1021/ar000203s. PMID  12186569. S2CID  20545137.
  5. ^ ab Zapata J, Pérez-Sirvent C, Martínez-Sánchez MJ, Tovar P (октябрь 2006 г.). «Диагенез, а не биогенез: два позднеримских скелетных примера». Наука о всеобщей окружающей среде . 369 (1–3): 357–68. Bibcode :2006ScTEn.369..357Z. doi :10.1016/j.scitotenv.2006.05.021. PMID  16828844.
  6. ^ Николсон РА (1996). «Деградация костей, среда захоронения и представление видов: разоблачение мифов и экспериментальный подход». Журнал археологической науки . 23 (4): 513–533. doi :10.1006/jasc.1996.0049.
  7. ^ Nielsen-Marsh CM (2000). «Закономерности диагенеза в костях I: влияние условий на месте находки». Журнал археологической науки . 27 (12): 1139–1150. doi :10.1006/jasc.1999.0537.
  8. ^ abcdef Collins MJ, Nielsen, Marsh CM, Hiller J, Smith CI, Roberts JP и др. (2002). «Выживание органической материи в костях: обзор». Archaeometry . 44 (3): 383–394. doi : 10.1111/1475-4754.t01-1-00071 .
  9. ^ ab de Sousa DV, Eltink E, Oliveira RA, Félix JF, Guimarães LM (декабрь 2020 г.). «Диагенетические процессы в ископаемых костях четвертичного периода из тропических известняковых пещер». Scientific Reports . 10 (1): 21425. Bibcode :2020NatSR..1021425D. doi :10.1038/s41598-020-78482-0. PMC 7722736 . PMID  33293631. 
  10. ^ Abercrombie HJ, Hutcheon IE, Bloch JD, Caritat PD (1994). «Активность кремнезема и реакция смектита-иллита». Geology . 22 (6): 539–542. Bibcode : 1994Geo....22..539A. doi : 10.1130/0091-7613(1994)022<0539:saatsi>2.3.co;2.
  11. ^ Fowler AC, Yang XS (2003). "Механизмы растворения/осаждения при диагенезе в осадочных бассейнах". J. Geophys. Res . 108 (B10): 2269. Bibcode : 2003JGRB..108.2509F. CiteSeerX 10.1.1.190.4424 . doi : 10.1029/2002jb002269. 
  12. ^ Foscolos AE, Powell TG, Gunther PR (1976). «Использование глинистых минералов и неорганических и органических геохимических индикаторов для оценки степени диагенеза и нефтегенерирующего потенциала сланцев». Geochimica et Cosmochimica Acta . 40 (8): 953–966. Bibcode : 1976GeCoA..40..953F. doi : 10.1016/0016-7037(76)90144-7.
  13. ^ Lovley DR (июнь 1991 г.). "Диссимиляционное восстановление Fe(III) и Mn(IV)". Microbiological Reviews . 55 (2): 259–87. doi : 10.1128/MMBR.55.2.259-287.1991 . PMC 372814 . PMID  1886521. 
  14. ^ Васс, А.А. (2001). «За пределами могилы: понимание разложения человека» (PDF) . Микробиология сегодня . 28 .