Кремень ( / tʃ ɜːr t / ) — твёрдая, мелкозернистая осадочная порода, состоящая из микрокристаллического или криптокристаллического кварца [1] , минеральной формы диоксида кремния (SiO 2 ). [2] Кремень обычно имеет биологическое происхождение, но может также встречаться неорганически в виде химического осадка или диагенетического замещения, как в окаменелой древесине [3 ]
Кремни обычно состоят из окаменевших остатков кремнистого ила , биогенного осадка, который покрывает большие площади глубокого дна океана и содержит кремниевые скелетные остатки диатомовых водорослей , силикофлагеллятов и радиолярий . [4] Докембрийские кремни примечательны присутствием ископаемых цианобактерий . [5] Помимо микроископаемых , [4] кремни иногда содержат макроископаемые . [6] [7] Однако некоторые кремни лишены каких-либо ископаемых. [8]
Кремень сильно различается по цвету, от белого до черного, но чаще всего встречается серым, коричневым, серо-коричневым и светло-зеленым до ржаво-красного [9] [10] и иногда темно-зеленым. [11] Его цвет является выражением следовых элементов, 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 «кремень» обычно относится ко всем химически осажденным осадочным породам, состоящим в основном из микрокристаллического , криптокристаллического и микроволокнистого кремнезема . [13] Большинство кремней представляют собой почти чистый кремнезем с менее чем 5% других минералов (в основном кальцита , доломита , глинистых минералов , гематита и органического вещества.) [14] Однако кремни варьируются от очень чистых кремней с содержанием кремнезема более 99% до загрязненных нодулярных кремней с содержанием кремнезема менее 65%. Алюминий является наиболее распространенным второстепенным элементом, за ним следуют железо и марганец или калий , натрий и кальций . [8] Внекристаллическая вода (крошечные включения воды внутри и вокруг кварцевых зерен) составляет менее 1% большинства кремней. [15]
Классификация Folk делит кремень на три текстурные категории. Гранулированный микрокварц является компонентом кремня, состоящим из примерно равноразмерных кварцевых зерен, размером от долей микрона до 20 микрон, но чаще всего от 8 до 10 микрон. Халцедон является микроволокнистой разновидностью кварца, состоящей из радиально расходящихся пучков очень тонких кристаллов длиной около 100 микрон. Мегакварц состоит из равноразмерных 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 небольшой опал имеет возраст 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 нагар ), полосчатая железистая формация ( джеспилит ) [8] или щелочные озера . [18] Однако большая часть кремня встречается либо в виде слоистого кремня , либо в виде нодулярного кремня . [8] Слоистый кремень чаще встречается в докембрийских отложениях, но нодулярный кремень стал более распространенным в фанерозое, поскольку общий объем кремня в горной породе уменьшился. [19] Слоистый кремень встречается редко после раннего мезозоя . [20] Кремень стал умеренно распространенным в девоне и карбоне и снова стал умеренно распространенным с юры до настоящего времени. [21]
Слоистый кремень, также известный как ленточный кремень, имеет форму тонкослоистых слоев (толщиной от нескольких сантиметров до метра [22] ) почти чистого кремня, разделенных очень тонкими слоями богатого кремнеземом сланца . [23] Обычно он имеет цвет от черного до зеленого, а полная последовательность слоев может иметь толщину в несколько сотен метров. Сланец обычно представляет собой черный сланец, иногда с пиритом , что указывает на осаждение в бескислородной среде. [21] Слоистый кремень чаще всего встречается в ассоциации с турбидитами , глубоководным известняком , подводными вулканическими породами , [23] офиолитами и меланжами на активных окраинах тектонических плит . [24] Осадочные структуры редки в слоистом кремне. [23] Обычно высокая чистота слоистого кремня, как и высокая чистота других химически осажденных пород, указывает на отложение в областях, где наблюдается небольшой приток обломочных осадков (например, речной воды, содержащей илы и частицы глины). [25] Такие присутствующие примеси включают аутигенный пирит и гематит, образовавшиеся в осадках после их отложения, в дополнение к следам обломочных минералов. [8]
Морская вода обычно содержит от 0,01 до 11 частей на миллион (ppm) кремния, при этом типичным является около 1 ppm. Это намного ниже насыщения, что указывает на то, что кремний обычно не может осаждаться из морской воды посредством неорганических процессов. Вместо этого кремний извлекается из морской воды живыми организмами, такими как диатомовые водоросли, радиолярии и стеклянные губки, которые могут эффективно извлекать кремний 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 мировых океанах. [27] Диатомовые водоросли могут удваивать свою численность восемь раз в день в идеальных условиях (хотя удвоение один раз в день более типично для обычной морской воды) и могут извлекать кремний из воды с содержанием кремния всего 0,1 ppm. [28] Организмы защищают свои скелеты от растворения, «бронируя» их ионами металлов. После того, как организмы умирают, их скелеты быстро растворяются, если только они не накапливаются на дне океана и не захоронены, образуя кремнистый ил, который на 30–60 % состоит из кремнезема. Таким образом, слоистые кремни обычно состоят в основном из ископаемых остатков организмов, которые выделяют кремнеземные скелеты, которые обычно изменяются растворением и перекристаллизацией. [26]
Скелеты этих организмов состоят из опала-A, аморфной формы кремнезема, не имеющей дальнодействующей кристаллической структуры. Он постепенно трансформируется в опал-CT, микрокристаллическую форму кремнезема, состоящую в основном из пластинчатых кристаллов кристобалита и тридимита . [29] Большая часть опала-CT принимает форму леписфер , которые представляют собой скопления пластинчатых кристаллов диаметром около 10 микрон. [30] Опал-CT, в свою очередь, трансформируется в микрокварц. В глубокой океанской воде переход в опал-CT происходит при температуре около 45 °C (113 °F), тогда как переход в микрокварц происходит при температуре около 80 °C (176 °F). Однако температура перехода значительно варьируется, и переход ускоряется присутствием гидроксида магния , который обеспечивает ядро для перекристаллизации. Мегакварц образуется при повышенных температурах, типичных для метаморфизма . [29]
Есть данные, что разновидность кремня, называемая фарфоритом , которая характеризуется высоким содержанием опала-CT, перекристаллизовывается на очень малых глубинах. [29] Кабальос Новакулит из Техаса также показывает признаки очень мелководного осаждения, включая мелководные осадочные структуры и псевдоморфозы эвапорита , которые являются слепками кристаллов растворимых минералов, которые могли образоваться только в условиях, близких к поверхности. Этот новакулят , по-видимому, образовался путем замены карбонатных фекальных гранул кремнем. [21]
Слоистые кремни можно далее подразделить по видам организмов, которые создали кремниевые скелеты. [23]
Диатомовый кремень состоит из слоев и линз диатомита , которые были преобразованы в ходе диагенеза в плотный, твердый кремень. Слои морского диатомового кремня, включающие слои толщиной в несколько сотен метров, были зарегистрированы в осадочных последовательностях, таких как миоценовая формация Монтерей в Калифорнии, и встречаются в породах, таких же старых, как меловой период . Диатомовые водоросли были доминирующим кремнистым организмом, ответственным за извлечение кремния из морской воды с юрского периода и позже. [31]
Радиолярит в основном состоит из остатков радиолярий. Когда остатки хорошо сцементированы кремнеземом, он известен как радиоляриевый кремень . [32] Многие из них демонстрируют признаки глубоководного происхождения, но некоторые, по-видимому, образовались на глубине до 200 метров (660 футов), [33] возможно, в шельфовых морях , где подъем богатых питательными веществами глубинных океанических вод поддерживает высокую органическую продуктивность. [22] Радиолярии доминировали в извлечении кремнезема из морской воды до юрского периода. [34]
Спикулярит — это кремнистый сланец, состоящий из игл стеклянных губок и других беспозвоночных. Когда он плотно сцементирован, он известен как иглистый кремнистый сланец . Они встречаются в ассоциации с богатым глауконитом песчаником , черным сланцем , богатым глиной известняком , фосфоритами и другими невулканическими породами, типичными для воды глубиной в несколько сотен метров. [33]
Некоторые слоистые кремни кажутся лишенными окаменелостей даже при тщательном микроскопическом исследовании. Их происхождение неясно, но они могут образовываться из ископаемых остатков, которые полностью растворяются в жидкостях, которые затем мигрируют, чтобы осадить свою кремниевую нагрузку в близлежащем слое. [35] [36] Эоловый кварц также был предложен в качестве источника кремния для кремнистых слоев. [37] Докембрийские слоистые кремни распространены, составляя 15% осадочных пород среднего докембрия, [21] и, возможно, были отложены небиологическим путем в океанах, более насыщенных кремнием, чем современный океан. Высокая степень насыщения кремнием была обусловлена либо интенсивной вулканической активностью, либо отсутствием современных организмов, которые удаляют кремний из морской воды. [38]
Нодулярный кремень чаще всего встречается в известняке, но также может быть обнаружен в сланцах [38] и песчаниках. [25] Он реже встречается в доломите . [1] Нодулярный кремень в карбонатных породах встречается в виде овальных или неправильных конкреций . Они различаются по размеру от порошкообразных кварцевых частиц 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 находят прорезающими поверхности напластования, где кремень заполняет ископаемые норы , структуры утечки жидкости или трещины. Конкреции размером менее нескольких сантиметров, как правило, имеют яйцевидную форму, в то время как более крупные конкреции образуют неправильные тела с бугристыми поверхностями. На внешних нескольких сантиметрах крупных конкреций могут быть трещины высыхания со вторичным кремнем, который, вероятно, образовался одновременно с конкрецией. Иногда присутствуют известковые ископаемые, которые были полностью окремнены. [25] Там, где кремень встречается в мелу или мергеле , его обычно называют кремнем . [8]
Узелковый кремень часто имеет темный цвет. [25] Он может иметь белую корку выветривания , известную в археологии как кора .
Большинство кремнистых конкреций имеют текстуры , предполагающие, что они были образованы путем диагенетического замещения, где кремний откладывался вместо карбоната кальция или глинистых минералов . [8] Это могло произойти, когда метеорная вода (вода, полученная из снега или дождя) смешивалась с соленой водой в осадочных слоях, где задерживался углекислый газ, создавая среду, перенасыщенную кремнием и недонасыщенную карбонатом кальция. [1] Конкреционный кремень особенно распространен в условиях континентального шельфа. [38] В Пермском бассейне (Северная Америка) кремнистые конкреции и окаменелые окаменелости в изобилии встречаются в известняках бассейна, но в самой зоне накопления карбоната их мало. Это может отражать растворение опала, где карбонат активно откладывается, отсутствие кремнистых организмов в этих средах или удаление кремнистых скелетов сильными течениями, которые переотлагают кремнистые материалы в глубоком бассейне. [39]
Кремний в нодулярном кремне, вероятно, осаждается в виде опала-A, основываясь на внутренней полосчатости в конкрециях [39] и может перекристаллизоваться непосредственно в микрокварц без предварительной перекристаллизации в опал-CT. [38] Некоторые нодулярные кремни могут осаждаться непосредственно в виде микрокварца из-за низких уровней пересыщения кремнеземом. [25]
Полосчатые железистые формации докембрийского периода состоят из чередующихся слоев кремня и оксидов железа . [40] [41]
Неморские кремни могут образовываться в соленых щелочных озерах в виде тонких линз или конкреций, демонстрирующих осадочные структуры, предполагающие эвапоритовое происхождение. Такие кремни образуются сегодня в щелочных озерах Восточно-Африканской рифтовой долины . [42] Эти озера характеризуются рассолами карбоната натрия с очень высоким pH , которые могут содержать до 2700 ppm кремнезема. Эпизоды стока пресной воды в озера снижают pH и осаждают необычные минералы силиката натрия магадиит или кенияит . После захоронения и диагенеза они изменяются в кремни типа Магади. [39] Формация Моррисон содержит кремни типа Магади, которые могли образоваться в щелочном озере Тоодичи. [43]
Кремень также может образовываться в результате замещения калькрета в ископаемых почвах ( палеопочвах ) кремнеземом, растворенным из вышележащих слоев вулканического пепла . [44]
Скрытокристаллическая природа кремня в сочетании с его повышенной способностью противостоять выветриванию, перекристаллизации и метаморфизму сделали его идеальной породой для сохранения ранних форм жизни. [45]
Например:
Сегодня кремнистый сланец имеет лишь скромное экономическое значение как источник кремния (кварцевый песок гораздо важнее). 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 каменным орудиям, используемым при литической обработке , кремень раскалывается по конусу Герца при ударе с достаточной силой. Это приводит к образованию раковистых изломов, характерных для всех минералов без плоскостей спайности . При таком типе разрушения конус силы распространяется через материал от точки удара, в конечном итоге удаляя полный или частичный конус, как при ударе по стеклянному окну небольшим предметом, таким как снаряд пневматического ружья . Частичные конусы Герца, полученные во время литической обработки, называются чешуйками и демонстрируют особенности, характерные для этого вида разрушения, включая ударные площадки , силовые выступы и иногда эрайлюры , которые представляют собой небольшие вторичные чешуйки, отделенные от силового выступа чешуйки. [58]
Когда кремнистый камень ударяется о железосодержащую поверхность, возникают искры. Это делает кремень прекрасным инструментом для разжигания огня, и как кремень, так и обычный кремень использовались в различных типах инструментов для разжигания огня, таких как трутницы , на протяжении всей истории. Основное историческое применение обычного кремня и кремня было в огнестрельном оружии с кремневым замком , в котором кремень, ударяясь о металлическую пластину, производит искру, которая воспламеняет небольшой резервуар, содержащий черный порох , разряжая огнестрельное оружие. [2] [59]
Кремни могут вызывать ряд проблем при использовании в качестве заполнителей для бетона. Глубоко выветренный кремень образует поверхностные выступы при использовании в бетоне, который подвергается замораживанию и оттаиванию из-за высокой пористости выветренного кремня. Другая проблема заключается в том, что некоторые кремни подвергаются щелочно-кремниевой реакции с высокощелочными цементами. Эта реакция приводит к растрескиванию и расширению бетона и в конечном итоге к разрушению материала. [60]
Существует множество разновидностей кремня, классифицируемых на основе их видимых, микроскопических и физических характеристик. [9] [10] Вот примеры:
Другие менее используемые архаичные термины для обозначения кремня — это огненный камень и кремень. [72]
