В геологии окремнение — это процесс окаменения , при котором богатые кремнеземом жидкости просачиваются в пустоты земных материалов , например, камней, дерева, костей, ракушек, и заменяют исходные материалы кремнеземом (SiO 2 ). Кремнезем — это естественно существующее и широко распространенное соединение, встречающееся в органических и неорганических материалах, включая земную кору и мантию . Существуют различные механизмы окремнения. При окремнении древесины кремнезем проникает в трещины и пустоты древесины, такие как сосуды и клеточные стенки, и занимает их. [1] Исходное органическое вещество сохраняется на протяжении всего процесса и со временем постепенно разлагается. [2] При окремнении карбонатов кремнезем замещает карбонаты в том же объеме. [3] Замена осуществляется за счет растворения исходных минералов породы и осаждения кремнезема. Это приводит к удалению исходных материалов из системы. [3] [4] В зависимости от структуры и состава исходной породы кремнезем может заменять только определенные минеральные компоненты породы. Кремниевая кислота (H 4 SiO 4 ) в флюидах, обогащенных кремнеземом, образует чечевицеобразный, узелковый, волокнистый или агрегированный кварц , опал или халцедон , растущий внутри породы. [5] Окремнение происходит, когда горные породы или органические материалы контактируют с богатыми кремнеземом поверхностными водами, погребены под отложениями и подвержены потоку грунтовых вод или погребены под вулканическим пеплом. Кварцевание часто связано с гидротермальными процессами. [1] Диапазон температур окварцевания в различных условиях: в условиях захоронения или поверхностных вод температура окремнения может составлять около 25–50°; тогда как температуры кремнистых флюидных включений могут достигать 150–190°. [6] [7] Кварцевание может происходить во время син- отложения или пост-отложения, обычно вдоль слоев, отмечающих изменения в седиментации , такие как несогласия или плоскости напластования . [5] [8]
Источники кремнезема можно разделить на две категории: кремнезем в органических и неорганических материалах. Первая категория также известна как биогенный кремнезем , который повсеместно встречается в животных и растениях. Последняя категория является вторым по распространенности элементом в земной коре. [9] Силикатные минералы являются основными компонентами 95% ныне идентифицированных пород. [10]
Биогенный кремнезем является основным источником кремнезема для диагенеза. Одним из ярких примеров является наличие кремнезема в фитолитах листьев растений, т.е. травы и хвощевые . Некоторые предположили, что кремнезем, присутствующий в фитолитах, может служить защитным механизмом против травоядных животных, поскольку присутствие кремнезема в листьях затрудняет пищеварение, нанося ущерб приспособленности травоядных животных. [11] Однако данных о влиянии кремнезема на благополучие животных и растений все еще недостаточно.
Кроме того, губки являются еще одним биогенным источником кремнезема, встречающегося в природе у животных. В классификационной системе они относятся к типу Porifera . Кремнистые губки обычно встречаются в окремненных осадочных слоях , например, в формации Яньцзяхэ в Южном Китае. [12] Некоторые из них встречаются в виде губчатых спикул и после окремнения связаны с микрокристаллическим кварцем или другими карбонатами. [12] Это также могло быть основным источником осадочных слоев, таких как слои кремня или кремни в окаменелых лесах. [12]
Диатомовые водоросли , важная группа микроводорослей , обитающих 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 позволяет предположить, что панцири диатомей были источниками кремнезема для окварцевания. [13] Некоторыми примерами являются окремненные известняки миоценовой формации Астория в Вашингтоне, окремненные игнимбриты на гейзерном поле Эль-Татио в Чили и третичные кремнистые осадочные породы в глубоководных скважинах западной части Тихого океана. [13] [14] [15] Присутствие биогенного кремнезема в различных видах создает крупномасштабный морской цикл кремнезема , который циркулирует кремнезем через океан. Поэтому содержание кремнезема высоко в зонах активного апвеллинга кремнезема в глубоководных отложениях. Кроме того, карбонатные раковины, отлагающиеся в мелководных морских условиях, обогащают содержание кремнезема в районах континентального шельфа . [16]
Основным компонентом верхней мантии Земли является кремнезем (SiO 2 ), что делает его основным источником кремнезема в гидротермальных жидкостях. SiO 2 является стабильным компонентом. Он часто появляется в виде кварца в вулканических породах . Некоторые кварцы, полученные из ранее существовавших пород, появляются в виде песка и обломочного кварца, которые взаимодействуют с морской водой с образованием кремнистых жидкостей. [12] В некоторых случаях кремнезем в кремнистых породах подвергается гидротермальному изменению и реагирует с морской водой при определенных температурах, образуя кислый раствор для окремнения близлежащих материалов. В цикле горных пород химическое выветривание горных пород также выделяет кремнезем в форме кремниевой кислоты в качестве побочных продуктов . [12] Кремнезем из выветрившихся пород смывается водой и откладывается в мелководной морской среде. [17]
Присутствие гидротермальных флюидов имеет важное значение как среда для геохимических реакций при окварцевании. При окремнении разных материалов задействованы разные механизмы. При окварцевании горных пород, таких как карбонаты, обычно происходит замещение минералов посредством гидротермальных изменений; в то время как окремнение органических материалов, таких как древесина, представляет собой исключительно процесс проникновения. [17] [18]
Замена кремнезема включает два процесса:
1) Растворение минералов горных пород [18]
2) Осаждение кремнезема [18]
Это можно объяснить заменой карбоната кремнезема. Гидротермальные флюиды недонасыщены карбонатами и перенасыщены кремнеземом. Когда карбонатные породы вступают в контакт с гидротермальными жидкостями, из-за разницы в градиенте карбонаты исходной породы растворяются в жидкости, а кремнезем выпадает из нее. [18] Таким образом, растворенный карбонат вытягивается из системы, в то время как осажденный кремнезем рекристаллизуется в различные силикатные минералы, в зависимости от фазы кремнезема. [17] Растворимость кремнезема сильно зависит от температуры и значения pH окружающей среды [ 3], где pH9 является контролирующим значением. [18] При pH ниже 9 из жидкости выпадает в осадок кремнезем; когда значение pH превышает 9, кремнезем становится хорошо растворимым. [3]
При окремнении древесины кремнезем растворяется в гидротермальной жидкости и просачивается в лигнин клеточных стенок. Осаждение кремнезема из жидкостей приводит к отложению кремнезема в пустотах, особенно в клеточных стенках. [1] [19] Клеточные материалы разрушаются под действием жидкостей, но структура остается стабильной благодаря развитию минералов. Клеточные структуры медленно заменяются кремнеземом. Непрерывное проникновение кремнистых жидкостей приводит к различным стадиям окварцевания, т.е. первичный и вторичный. Потеря жидкости с течением времени приводит к цементации окремненной древесины из-за позднего добавления кремнезема. [21]
Скорость окварцевания зависит от нескольких факторов:
1) Скорость разрушения исходных клеток [21]
2) Наличие источников кремнезема и содержание кремнезема во флюиде [1] [3]
3) Температура и pH среды окварцевания [1] [3]
4) Вмешательство других диагенетических процессов [3] [22]
Эти факторы во многом влияют на процесс окварцевания. Скорость разрушения исходных клеток контролирует развитие минерального каркаса и, 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 и к наличию гидротермальных флюидов. Температура и pH окружающей среды определяют условия возникновения окварцевания. [3] [22] Это тесно связано с глубиной захоронения или связью с вулканическими событиями. Вмешательство других диагенетических процессов иногда могло привести к нарушению окремнения. Относительное время окварцевания по отношению к другим геологическим процессам может служить отправной точкой для дальнейших геологических интерпретаций. [1] [19] [21] [22]
В заливе Консепшн в Ньюфаундленде, на юго-восточном побережье Канады, произошла окремнение серии вулканических пород, связанных с докембрийским и кембрийским периодами. Породы состоят преимущественно из риолитовых и базальтовых потоков с прослоями кристаллических туфов и брекчий. Региональное окремнение произошло как предварительный процесс изменений до того, как произошли другие геохимические процессы. [23] Источником кремнезема вблизи этого района были горячие кремнистые жидкости из риолитового потока в статических условиях. [23] Значительная часть кремнезема появилась в виде белого халцедонового кварца, кварцевых жил, а также зернистых кристаллов кварца. [23] Из-за разницы в структуре горных пород кремнезем замещает разные материалы в породах близких местоположений. В следующей таблице показано замещение кремнезема в разных местах: [23]
В Семаилском покрове Омана в Объединенных Арабских Эмиратах был найден окремненный серпентинит . Появление таких геологических особенностей довольно необычно. Это псевдоморфное изменение, при котором протолит серпентинита уже был окварцеванным. [24] Из-за тектонических событий базальный серпентинит был разрушен, и грунтовые воды проникли вдоль разломов, образуя крупномасштабную циркуляцию подземных вод внутри пластов. [24] В результате гидротермального растворения кремнезем выпал в осадок и кристаллизовался вокруг пустот серпентинита. [25] Таким образом, окремнение можно увидеть только вдоль путей грунтовых вод. [25] Окремнение серпентинита образовалось в условиях, когда поток грунтовых вод и концентрация углекислого газа низкие. [24] [25]
Окремненные карбонаты могут проявляться в виде окремненных слоев карбонатных пород [3] или в виде окремненных карстов. Палеогеновый Мадридский бассейн в Центральной Испании представляет собой прибрежный бассейн, образовавшийся в результате альпийского поднятия, пример окремненных карбонатов в слоях горных пород . Литология представлена карбонатными и детритовыми толщами, образовавшимися в озерных условиях. Пачки пород окремнены, в слоях встречаются кремни, кварц и опаловые минералы. [26] Он согласуется с нижележащими эвапоритовыми слоями, также датируемыми аналогичным возрастом. Установлено, что в толще горных пород имело место две стадии окремнения. [26] Более ранняя стадия окварцевания обеспечила лучшие условия и место для осаждения кремнезема. Источник кремнезема до сих пор неизвестен. [26] Биогенный кремнезем в карбонатах не обнаружен. Однако в карбонатах обнаружены микробные пленки, что может указывать на присутствие диатомей. [26]
Карсты — это карбонатные пещеры, образовавшиеся в результате растворения карбонатных пород, таких как известняки и доломиты . Они обычно восприимчивы к грунтовым водам и растворяются в этих дренажах. Кварцованные карсты и пещерные отложения образуются при попадании кремнистых флюидов в карсты через разломы и трещины. [17] Среднепротерозойский мескальский известняк из группы Апачи в центральной Аризоне является классическим примером окремненного карста. Часть карбонатов на ранних стадиях диагенеза замещена кремнями, а оставшаяся часть на более поздних стадиях полностью окремнена. [17] Источник кремнезема в карбонатах обычно связывают с присутствием биогенетического кремнезема; однако источником кремнезема в известняке мескаль является выветривание вышележащих базальтов , которые представляют собой экструзионные магматические породы с высоким содержанием кремнезема. [17]
Кварцевание древесины обычно происходит в наземных условиях, но иногда оно может происходить и в водной среде. [19] Окремнение поверхностных вод может быть осуществлено путем осаждения кремнезема в горячих источниках, обогащенных кремнеземом. На северном побережье центральной Японии горячий источник Татеяма имеет высокое содержание кремнезема, что способствует окремнению близлежащих упавших лесов и органических материалов. Кремнезем быстро выпадает в осадок из жидкостей, а опал является основной формой кремнезема. [18] При температуре около 70°C и значении pH около 3 осажденный опал состоит из сфер кремнезема разного размера, расположенных хаотично. [18]
Основная магма доминировала на морском дне около 3,9 млрд лет назад во время гадейско - архейского перехода. [27] Из-за быстрого окварцевания начала формироваться кислая континентальная кора . [28] В архее континентальная кора была сложена тоналитом-трондьемит-гранодиоритом (ТТГ), а также гранит- монцонит - сиенитовой свитой. [28]
Гора Голдсуорси в кратоне Пилбара , расположенном в Западной Австралии, является одним из самых ранних примеров окварцевания с архейской обломочной мета-осадочной последовательностью пород, раскрывающей поверхностную среду Земли в ранние времена с помощью свидетельств окварцевания и гидротермальных изменений. Установлено, что в раскопанных породах по минеральному составу преобладает SiO2. [8] Последовательность подверглась высокой степени окремнения из-за гидротермального взаимодействия с морской водой при низких температурах. [8] Литические фрагменты были заменены микрокристаллическим кварцем, а протолиты были изменены в ходе окремнения. [8] Состояние окварцевания и присутствующие элементы позволяют предположить, что температура поверхности и содержание углекислого газа были высокими во время син-осаждения или после него. [8]
Зеленокаменный пояс Барбертона в Южной Африке, в частности супергруппа Эсватини возрастом около 3,5–3,2 млрд лет, представляет собой совокупность хорошо сохранившихся окремненных вулканогенно-осадочных пород. Кварцевые вулканические породы, состав которых варьируется от ультраосновного до кислого, находятся непосредственно под слоистым кремнистым слоем. Породы более окремнены вблизи контакта со слоями кремней, что позволяет предположить наличие связи между отложением кремней и окварцеванием. [29] Зоны, измененные кремнеземом, показывают, что гидротермальная деятельность, как и циркуляция морской воды, активно циркулирует слои горных пород через трещины и разломы во время отложения слоистого кремня. [30] Морская вода была нагрета и поэтому собрала кремниевые материалы из-под вулканического происхождения. Флюиды, обогащенные кремнеземом, вызывают окварцевание горных пород путем просачивания в пористые материалы на стадии синотложения в условиях низких температур. [30] [31]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)