Черт ( / ˈ tʃ ɜːr t / ) — твердая мелкозернистая осадочная порода, состоящая из микрокристаллического или скрытокристаллического кварца , [1] минеральной формы диоксида кремния (SiO 2 ). [2] Кремень обычно имеет биологическое происхождение, но может также встречаться в неорганическом виде в виде химического осадка или диагенетического замещения, как в окаменевшей древесине . [3]
Черт обычно состоит из окаменевших остатков кремнистого ила , биогенного осадка, который покрывает большие площади глубокого дна океана и содержит кремниевые скелетные останки диатомовых водорослей , силикофлагеллят и радиолярий . [4] Докембрийские кремни отличаются наличием ископаемых цианобактерий . [5] Помимо микрофоссилий , [4] кремень иногда содержит макрофоссилии . [6] [7] Однако некоторые кремни лишены каких-либо окаменелостей. [8]
Крем сильно различается по цвету: от белого до черного, но чаще всего встречается серого, коричневого, серовато-коричневого и светло-зеленого до ржаво-красного цвета [9] [10] , а иногда и темно-зеленого цвета. [11] Его цвет является выражением микроэлементов, присутствующих в породе. И красный, и зеленый чаще всего связаны со следами железа в его окисленной и восстановленной формах соответственно. [4] [12]
В петрологии термин «кремни» обычно относится ко всем химически осажденным осадочным породам , состоящим в основном из микрокристаллического , скрытокристаллического и микроволокнистого кремнезема . [13] Большинство кремней представляют собой почти чистый кремнезем с менее чем 5% других минералов (в основном кальцит , доломит , глинистые минералы , гематит и органические вещества). [14] Однако кремни варьируются от очень чистых кремнеземов с содержанием кремнезема более 99%. к загрязненным желваковым кремням с содержанием кремнезема менее 65%. Алюминий является наиболее распространенным второстепенным элементом, за ним следуют железо и марганец или калий , натрий и кальций . [8] Экстракристаллическая вода (мельчайшие включения воды внутри и вокруг зерен кварца) составляет менее 1% большинства кремней. [15]
Народная классификация делит кремень на три текстурные категории. Зернистый микрокварц — это компонент кремня, состоящий из зерен кварца примерно одинакового размера размером от долей микрона до 20 микрон, но чаще всего от 8 до 10 микрон. Халцедон — микроволокнистая разновидность кварца, состоящая из расходящихся пучков очень тонких кристаллов длиной около 100 микрон. Мегакварц состоит из равномерных зерен размером более 20 микрон. [13] [16] Большая часть кремня представляет собой микрокристаллический кварц с небольшим количеством халцедона и иногда опала , но кремни варьируются от почти чистого опала до почти чистого кварцевого кремня. Однако маленькому опалу более 60 миллионов лет. [16] Опаловый кремень часто содержит видимые окаменелости диатомовых водорослей , радиолярий и спикул стеклянной губки . [17]
Кремень встречается в таких разнообразных условиях, как отложения горячих источников ( кремнистый агломерат ), полосчатое железо ( джаспилит ) [8] или щелочные озера . [18] Однако большая часть кремня встречается либо в виде слоистого кремня , либо в виде узловатого кремня . [8] Слоистый кремень чаще встречается в докембрийских отложениях, но узловатый кремень стал более распространенным в фанерозое, поскольку общий объем кремня в пластинке горных пород уменьшился. [19] Слоистый кремень редко встречается после раннего мезозоя . [20] Черт стал умеренно многочисленным в девоне и каменноугольном периоде и снова стал умеренно многочисленным с юрского периода до настоящего времени. [21]
Слоистый кремень, также известный как ленточный кремень, представляет собой тонкослоистые слои (толщиной от нескольких сантиметров до метра [22] ) почти чистого кремня, разделенные очень тонкими слоями богатого кремнеземом сланца . [23] Обычно он имеет цвет от черного до зеленого, а толщина всей последовательности слоев может достигать нескольких сотен метров. Обычно это черный сланец, иногда с пиритом , что указывает на отложение в бескислородной среде. [21] Слоистый кремень чаще всего встречается в сочетании с турбидитами , глубоководными известняками , подводными вулканическими породами , [23] офиолитами и меланжами на активных окраинах тектонических плит . [24] Осадочные структуры редки в слоистых кремнях. [23] Обычно высокая чистота слоистых кремней, как и высокая чистота других химически осажденных пород, указывает на отложение в районах, где мало притока обломочных отложений (например, речная вода, насыщенная илом и глинистыми частицами.) [25] Среди примесей присутствуют аутигенные пирит и гематит, образовавшиеся в осадках после их отложения, а также следы обломочных минералов. [8]
Морская вода обычно содержит от 0,01 до 11 частей на миллион (ppm) кремнезема, обычно около 1 ppm. Это намного ниже насыщения, что указывает на то, что кремнезем обычно не может быть осаждён из морской воды с помощью неорганических процессов. Вместо этого кремнезем извлекается из морской воды живыми организмами, такими как диатомовые водоросли, радиолярии и стеклянные губки, которые могут эффективно извлекать кремнезем даже из очень ненасыщенной воды [26] и которые, по оценкам, в настоящее время производят 12 кубических километров (2,9 кубических миль). опала в год в Мировом океане. [27] Диатомовые водоросли могут удваивать свое количество восемь раз в день в идеальных условиях (хотя удвоение один раз в день более типично для обычной морской воды) и могут извлекать кремнезем из воды с содержанием кремнезема всего 0,1 ppm. [28] Организмы защищают свои скелеты от растворения, «бронируя» их ионами металлов. Как только организмы умирают, их скелеты быстро растворяются, если только они не накапливаются на дне океана и не закапываются, образуя кремнистый ил, содержащий от 30% до 60% кремнезема. Таким образом, слоистые кремни обычно состоят в основном из ископаемых остатков организмов, выделяющих кремнеземные скелеты, которые обычно изменяются в результате растворения и перекристаллизации. [26]
Скелеты этих организмов состоят из опала-А, аморфной формы кремнезема, лишенной дальнодействующей кристаллической структуры. Постепенно он превращается в опал-CT, микрокристаллическую форму кремнезема, состоящую в основном из пластинчатых кристаллов кристобалита и тридимита . [29] Большая часть опала-КТ имеет форму леписфер , которые представляют собой скопления пластинчатых кристаллов диаметром около 10 микрон. [30] Опал-КТ, в свою очередь, превращается в микрокварц. В глубокой океанской воде переход к опалу-КТ происходит при температуре около 45 °C (113 °F), а переход к микрокварцу происходит при температуре около 80 °C (176 °F). Однако температура перехода значительно варьируется, и переход ускоряется наличием гидроксида магния , который обеспечивает зародыш для рекристаллизации. Мегакварц образуется при повышенных температурах, типичных для метаморфизма . [29]
Имеются данные о том, что разновидность кремня, называемая фарфоритом , характеризующаяся высоким содержанием опала-СТ, перекристаллизовывается на очень малых глубинах. [29] Кабальос-Новакулит в Техасе также демонстрирует признаки отложения на очень мелководье, включая мелководные осадочные структуры и псевдоморфозы эвапорита , которые представляют собой отливки кристаллов растворимых минералов, которые могли образоваться только в приповерхностных условиях. Этот новакулят, по-видимому, образовался в результате замены карбонатных фекальных гранул кремнем. [21]
Слоистые кремни можно подразделить по видам организмов, производивших кремнеземные скелеты. [23]
Диатомовый кремень состоит из пластов и линз диатомита , превратившихся в ходе диагенеза в плотный, твердый кремень. Слои морского диатомового кремня, состоящие из пластов толщиной в несколько сотен метров, были обнаружены в осадочных толщах, таких как миоценовая формация Монтерей в Калифорнии, и встречаются в породах, возраст которых равен меловому периоду . Диатомовые водоросли были доминирующим кремнистым организмом, ответственным за извлечение кремнезема из морской воды в юрском периоде и позже. [31]
Радиолярит состоит преимущественно из остатков радиолярий. Когда останки хорошо сцементированы кремнеземом, они известны как радиолярийный кремень . [32] Многие из них свидетельствуют о глубоководном происхождении, но некоторые, по-видимому, образовались на глубине до 200 метров (660 футов), [33] возможно, в шельфовых морях , где апвеллинг богатых питательными веществами глубоководных океанских вод поддерживает высокий уровень органических веществ. производительность. [22] Радиолярии доминировали в добыче кремнезема из морской воды до юрского периода. [34]
Спикулярит — кремень, состоящий из спикул стеклянных губок и других беспозвоночных. Когда он плотно сцементирован, он известен как игольчатый кремень . Они встречаются в ассоциации с песчаником , богатым глауконитом , черными сланцами , известняками , богатыми глиной , фосфоритами и другими невулканическими породами, типичными для воды глубиной несколько сотен метров. [33]
Некоторые слоистые кремни кажутся лишенными окаменелостей даже при внимательном микроскопическом исследовании. Их происхождение неясно, но они могут образоваться из ископаемых останков, которые полностью растворены во флюидах, которые затем мигрируют, осаждая кремнезем в близлежащем пласте. [35] [36] Эоловый кварц также был предложен в качестве источника кремнезема для кремнистых пластов. [37] Докембрийские слоистые кремни распространены, составляя 15% осадочных пород среднего докембрия, [21] и, возможно, отложились небиологическим путем в океанах, более насыщенных кремнеземом, чем современный океан. Высокая степень насыщенности кремнеземом объяснялась либо интенсивной вулканической деятельностью, либо отсутствием современных организмов, удаляющих кремнезем из морской воды. [38]
Узловатый кремень чаще всего встречается в известняках, но также может быть обнаружен в сланцах [38] и песчаниках. [25] В доломите встречается реже . [1] Узловатый кремень в карбонатных породах встречается в виде конкреций овальной или неправильной формы . Они различаются по размеру: от порошкообразных частиц кварца до конкреций размером в несколько метров. Конкреции чаще всего располагаются вдоль плоскостей напластования или поверхностей стилолита (растворения), где ископаемые организмы имели тенденцию накапливаться и являлись источником растворенного кремнезема, но иногда их обнаруживают на поверхности напластования, где кремень заполняет норы окаменелостей , структуры выхода жидкости , или переломы. Узелки размером менее нескольких сантиметров, как правило, имеют яйцевидную форму, тогда как более крупные узелки образуют тела неправильной формы с бугристой поверхностью. На внешних нескольких сантиметрах крупных конкреций могут наблюдаться трещины высыхания со вторичными кремнями, которые, вероятно, образовались одновременно с конкрецией. Иногда встречаются известковые окаменелости, полностью окремненные. [25] Там, где кремень встречается в меле или мергеле , его обычно называют кремнем . [8]
Узловой кремень часто темного цвета с белой выветриваемой коркой. [25]
Текстура большинства кремнистых конкреций позволяет предположить, что они образовались в результате диагенетического замещения, когда кремнезем откладывался вместо карбоната кальция или глинистых минералов . [8] Это могло произойти, когда метеоритная вода (вода, полученная из снега или дождя) смешивалась с соленой водой в слоях отложений, где задерживался углекислый газ, создавая среду, перенасыщенную кремнеземом и недонасыщенную карбонатом кальция. [1] Узловые кремни особенно распространены на континентальном шельфе. [38] В Пермском бассейне (Северная Америка) кремнистые конкреции и кремнистые окаменелости изобилуют известняками бассейна, но их мало в самой зоне накопления карбонатов. Это может отражать растворение опала там, где активно откладывается карбонат, отсутствие кремнистых организмов в этих средах или удаление кремнистых скелетов сильными течениями, которые переотлагают кремнистый материал в глубоком бассейне. [39]
Кремнезем в желваковых кремнях, вероятно, выделяется в виде опала-А из-за внутренних полос в конкрециях [39] и может рекристаллизоваться непосредственно в микрокварц без предварительной рекристаллизации в опал-CT. [38] Некоторые узелковые кремни могут осаждаться непосредственно в виде микрокварца из-за низкого уровня пересыщения кремнезема. [25]
Полосчатые железистые образования докембрия сложены чередующимися слоями кремней и оксидов железа . [40] [41]
Неморские кремни могут образовываться в солено-щелочных озерах в виде тонких линз или конкреций, демонстрирующих осадочные структуры, позволяющие предположить эвапоритовое происхождение. Такие кремни формируются сегодня в щелочных озерах Восточно-Африканской рифтовой долины . [42] Эти озера характеризуются рассолами карбоната натрия с очень высоким pH , которые могут содержать до 2700 частей на миллион кремнезема. Периодический сток пресной воды в озера снижает pH и выпадает в осадок необычные минералы силиката натрия магадиит или кенияит . После захоронения и диагенеза они изменяются в кремень типа Магади. [39] Формация Моррисон содержит кремни типа Магади, которые, возможно, образовались в щелочном озере Тоодичи. [43]
Кремень может также образовываться в результате замены кальцита в ископаемых почвах ( палеопочвах ) кремнеземом, растворенным в вышележащих слоях вулканического пепла . [44]
Скрытокристаллическая природа кремня в сочетании с его способностью противостоять выветриванию , рекристаллизации и метаморфизму выше среднего сделала его идеальной породой для сохранения ранних форм жизни. [45]
Например:
Сегодня кремень имеет лишь скромное экономическое значение как источник кремнезема (кварцевый песок имеет гораздо большее значение). Однако месторождения кремня могут быть связаны с ценными месторождениями железа, урана , марганца, фосфорита и нефти. [57]
В доисторические времена кремень часто использовался в качестве сырья для изготовления каменных орудий . Подобно обсидиану , а также некоторым риолитам , фельзитам , кварцитам и другим орудийным камням , используемым при каменном восстановлении , кремень разрушается в конусе Герца при ударе с достаточной силой. Это приводит к образованию раковистых изломов, характерных для всех минералов без плоскостей спайности . При этом типе перелома конус силы распространяется через материал от точки удара, в конечном итоге удаляя полный или частичный конус; этот результат знаком каждому, кто видел, что происходит с зеркальным окном при ударе небольшим предметом, например снарядом из пневматического пистолета . Частичные конусы Герца, образующиеся во время каменной редукции, называются отщепами и демонстрируют особенности, характерные для этого типа разрушения, включая ударные платформы , луковицы силы и иногда перииллюры , которые представляют собой небольшие вторичные отщепы, отделившиеся от луковицы силы отщепа. [58]
При ударе кремнистого камня о железосодержащую поверхность возникают искры. Это делает кремень отличным инструментом для разжигания пожара, и кремень, и обычный кремень на протяжении всей истории использовались в различных типах инструментов для разжигания огня, таких как трутницы . Основное историческое использование обычного кремня и кремня было для огнестрельного оружия с кремневым замком , в котором кремень, ударяющий о металлическую пластину, создает искру, которая воспламеняет небольшой резервуар, содержащий черный порох , и стреляет из огнестрельного оружия. [2] [59]
Черты подвержены проблемам при использовании в качестве заполнителей бетона. При использовании в бетоне, который подвергается замерзанию и оттаиванию, из-за высокой пористости выветрившегося кремня на поверхности кремня, подвергшегося глубокому выветриванию, образуются выступы. Другая проблема заключается в том, что некоторые кремни подвергаются щелочно-кремнеземной реакции с высокощелочными цементами. Эта реакция приводит к растрескиванию и расширению бетона и, в конечном итоге, к разрушению материала. [60]
Существует множество разновидностей кремней, классифицированных на основе их видимых, микроскопических и физических характеристик. [9] [10] Некоторые из наиболее распространенных разновидностей:
Другими менее используемыми архаичными терминами для обозначения кремня являются огнеупорный камень и силекс. [72]
