stringtranslate.com

Угольный шар

Угольный шар — это разновидность конкреции , форма которой варьируется от несовершенной сферы до плосколежащей плиты неправильной формы. Угольные шары образовались в болотах и ​​болотах каменноугольного периода , когда торф не мог превратиться в уголь из-за большого количества кальцита , окружающего торф; вместо этого из-за кальцита он превратился в камень . Таким образом, несмотря на то, что на самом деле угольный шар не сделан из угля , он обязан своим названием своему схожему происхождению, а также схожей форме с настоящим углем.

Угольные шарики часто хранят замечательные свидетельства микроскопической структуры тканей каменноугольных болот и болотных растений, которые в противном случае были бы полностью уничтожены. Уникальная сохранность растений каменноугольного периода делает их ценными для ученых, которые разрезают и очищают угольные шарики для исследования геологического прошлого.

В 1855 году два английских учёных, Джозеф Далтон Хукер и Эдвард Уильям Бинни , сделали первое научное описание угольных шаров в Англии, а первоначальные исследования угольных шаров были проведены в Европе. Североамериканские угольные шары были обнаружены и идентифицированы в 1922 году. С тех пор угольные шары были обнаружены и в других странах, что привело к открытию сотен видов и родов .

Угольные шарики можно найти в угольных пластах Северной Америки и Евразии . Североамериканские угольные шары более распространены как в стратиграфическом , так и в геологическом отношении, чем в Европе. Самые старые известные угольные шары относятся к намюрскому этапу каменноугольного периода; они были найдены в Германии и на территории бывшей Чехословакии.

Введение в научный мир и формирование

Портрет сэра Джозефа Далтона Хукера
Сэр Джозеф Далтон Хукер, который вместе с Эдвардом Уильямом Бинни первым сообщил об угольных шарах.

Первое научное описание угольных шариков было сделано в 1855 году сэром Джозефом Далтоном Хукером и Эдвардом Уильямом Бинни , которые сообщили о примерах угольных пластов Йоркшира и Ланкашира , Англия. Европейские ученые провели большую часть ранних исследований. [1] [2]

Угольные шары в Северной Америке были впервые обнаружены в угольных пластах Айовы в 1894 году, [3] [4], хотя связь с европейскими угольными шарами не была установлена ​​до Адольфа Карла Ноэ (чей угольный шар был найден Гилбертом Кэди [3] [5] [6] ) провел параллель в 1922 году. [2] Работа Ноэ возобновила интерес к угольным шарам, и к 1930-м годам палеоботаники из Европы привлекли их в бассейн Иллинойса в поисках их. [7]

Существуют две теории – автохтонная ( in situ ) теория и аллохтонная (дрейфовая) теория – которые пытаются объяснить образование угольных шаров, хотя эта тема в основном является спекуляцией. [8]

Сторонники теории in situ полагают, что вблизи его нынешнего местоположения органическое вещество скопилось вблизи торфяника и вскоре после захоронения подверглось перминерализации  – минералы просачивались в органику и образовывали внутренний слепок. [9] [10] Вода с высоким содержанием растворенных минералов была захоронена вместе с растительным материалом в торфянике. По мере кристаллизации растворенных ионов минеральное вещество выпадало в осадок. Это привело к тому, что конкременты , содержащие растительный материал, сформировались и сохранились в виде округлых комков камня. Таким образом, углефикация была предотвращена, а торф сохранился и в конечном итоге превратился в угольный шар. [11] Большинство угольных шариков обнаружено в битуминозных и антрацитовых угольных пластах, [12] в местах, где торф не был достаточно сжат, чтобы превратить материал в уголь. [11]

Мари Стоупс и Дэвид Уотсон проанализировали образцы угольных шариков и пришли к выводу, что угольные шарики образовались на месте . Они подчеркивали важность взаимодействия с морской водой, считая, что это необходимо для образования угольных шаров. [13] Некоторые сторонники теории in situ полагают, что открытие Стоупсом и Уотсоном стебля растения , проходящего через несколько угольных шаров, показывает, что угольные шары образовались in situ , заявляя, что теория дрейфа не может объяснить наблюдения Стоупса и Уотсона. Они также ссылаются на хрупкие куски органического материала, выступающие за пределы некоторых угольных шаров, утверждая, что, если бы теория дрейфа была верна, выступы были бы разрушены [14] , а некоторые большие угольные шары настолько велики, что их невозможно было бы уничтожить. перевезли в первую очередь. [15]

Теория дрейфа утверждает, что органический материал не сформировался в его нынешнем месте или вблизи него. Скорее, он утверждает, что материал, который впоследствии превратился в угольный шар, был перенесен из другого места посредством наводнения или шторма. [16] Некоторые сторонники теории дрейфа, такие как Сергий Мамай и Эллис Йохельсон, считали, что присутствие морских животных в угольных шарах доказывает, что материал переносился из морской среды в неморскую. [17] Эдвард К. Джеффри, заявляя, что теория in situ «не имеет убедительных доказательств», полагал, что образование угольных шаров из транспортируемого материала было вероятным, потому что угольные шары часто включали материал, образовавшийся в результате транспортировки и осаждения в открытой воде. [18]

Содержание

Пластинчатые образования относительно крупнее окружающих структур, напоминающих маленькие пузыри.
Кальцит (в центре) и доломит (вверху и внизу) — распространенные материалы, встречающиеся в угольных шарах.

Угольные шарики сделаны не из угля; [19] [20] они негорючие и бесполезны в качестве топлива. Угольные шары представляют собой богатые кальцием перминерализованные формы жизни, [21] в основном содержащие карбонаты кальция и магния , пирит и кварц . [22] [23] Другие минералы, в том числе гипс , иллит , каолинит и лепидокрокит, также появляются в угольных шарах, хотя и в меньших количествах. [24] Хотя угольные шарики обычно размером с мужской кулак, [25] их размеры сильно различаются: от грецкого ореха до 3 футов (1 м) в диаметре. [26] Были найдены угольные шарики размером меньше напёрстка . [20]

Угольные шары обычно содержат доломиты , арагониты и массы органического вещества на различных стадиях разложения . [11] Хукер и Бинни проанализировали угольный комок и обнаружили «отсутствие хвойной древесины… и листьев папоротника» и отметили, что обнаруженные растительные вещества «выглядят [редактированы] как [расположенные] так же, как они упали с растения, которые их произвели». [27] Угольные шарики обычно не сохраняют листья растений. [28]

В 1962 году Сергиус Мамай и Эллис Йохельсон проанализировали угольные шары Северной Америки. [29] Их открытие морских организмов привело к классификации угольных шаров, которые были разделены на три типа: нормальные (иногда называемые цветочными), содержащие только растительные вещества; фаунистический, содержащий только окаменелости животных; и смешанные, содержащие как растительный, так и животный материал. [30] Смешанные угольные шары далее делятся на гетерогенные, где растительный и животный материал четко разделены; и однородный, лишенный этого разделения. [31]

Сохранение

Качество сохранности угольных шаров варьируется от отсутствия сохранности до возможности анализа клеточных структур. [10] Некоторые угольные шарики содержат сохранившиеся корневые волоски, [32] пыльцу, [33] и споры, [33] и описываются как «более или менее прекрасно сохранившиеся», [34] содержащие «не то, что раньше было растением». ", а, скорее, сам завод. [35] Другие оказались «бесполезными с ботанической точки зрения», [36] поскольку органическое вещество ухудшилось, прежде чем превратиться в угольный шар. [37] Угольные шарики с хорошо сохранившимся содержимым пригодятся палеоботаникам. [38] Их использовали для анализа географического распределения растительности: например, для доказательства того, что украинские и оклахомские растения тропического пояса когда-то были одинаковыми. [39] Исследования угольных шаров также привели к открытию более 130 родов и 350 видов . [1]

Три основных фактора определяют качество сохранившегося материала в угольном шаре: минеральные компоненты, скорость процесса захоронения и степень сжатия перед перминерализацией. [40] Как правило, угольные шарики, образовавшиеся в результате быстрого захоронения с небольшим разложением и давлением, лучше сохраняются, хотя растительные остатки в большинстве угольных шаров почти всегда демонстрируют различные признаки разложения и разрушения. [11] Угольные шарики, содержащие большое количество сульфида железа, имеют гораздо меньшую сохранность, чем угольные шарики, перминерализованные карбонатом магния или кальция, [11] [41] [42], из-за чего сульфид железа получил титул «главного проклятия охотника за угольными шарами». [32]

Распределение

Угольный шар из южного Иллинойса

Угольные шары были впервые найдены в Англии, [43] , а затем и в других частях света, включая Австралию, [16] [44] Бельгию, Нидерланды, бывшую Чехословакию , Германию, Украину, [45] Китай, [46] и Испания. [47] Они также были обнаружены в Северной Америке, где они географически широко распространены по сравнению с Европой; [1] В США угольные шары были найдены от Канзаса до бассейна Иллинойса и региона Аппалачей . [33] [48]

Самые старые угольные шары относятся к раннему концу намюрского этапа (326–313 млн лет назад) и были обнаружены в Германии и бывшей Чехословакии [1] , но их возраст обычно колеблется от пермского периода (299–251 млн лет назад) до верхнего карбона . [49] Некоторые угольные шары из США различаются по возрасту: от конца вестфальского периода (примерно от 313 до 304 млн лет назад) до позднего Стефана (примерно от 304 до 299 млн лет назад). Европейские угольные шары обычно относятся к началу Вестфальского яруса. [1]

В угольных пластах угольные шары полностью окружены углем. [50] Они часто встречаются беспорядочно разбросанными по пласту изолированными группами, [38] обычно в верхней половине пласта. Их появление в угольных пластах может быть как крайне спорадическим, так и регулярным; Было обнаружено, что многие угольные пласты не содержат угольных шаров, [19] [42] , в то время как в других было обнаружено такое количество угольных шаров, что шахтеры полностью избегают этого района. [48]

аналитические методы

Множество тонких паутинных листов, сильно перекрывающих друг друга в одном месте, в других меньше. Часть угольного шара напоминает битое стекло. Видна толстая темная линия.
Тонкий срез стебля растения с изображением кристаллов кальцита.

Получение тонких срезов было ранней процедурой, использовавшейся для анализа окаменелого материала, содержащегося в угольных шарах. [51] Процесс требовал разрезать угольный шар алмазной пилой , затем сплющить и отполировать тонкий срез абразивом. [52] Его приклеивали к предметному стеклу и помещали под петрографический микроскоп для изучения. [53] Хотя этот процесс можно было выполнить с помощью машины, большое количество времени, необходимое для этого, и низкое качество образцов, полученных тонкими срезами, уступили место более удобному методу. [54] [55]

В 1928 году метод тонкого среза был заменен ныне распространённым методом жидкого пилинга . шаром алмазной пилы, шлифовкой поверхности среза на стеклянной пластине с карбидом кремния до гладкости и травлением среза и поверхности соляной кислотой . [55] Кислота растворяет минеральные вещества из угольного шара, оставляя выступающий слой растительных клеток. После нанесения ацетона на угольный шарик помещают кусочек ацетата целлюлозы . При этом клетки, сохранившиеся в угольном шарике, внедряются в ацетат целлюлозы. После высыхания ацетат целлюлозы можно удалить с угольного шарика бритвой, а полученную кожуру окрасить красителем низкой кислотности и наблюдать под микроскопом . С помощью этого метода из 2 миллиметров (0,079 дюйма) угольного шара можно извлечь до 50 кожуры. [55]

Однако кожура со временем портится, если она содержит сульфид железа ( пирит или марказит ). Шайа Читали решил эту проблему, пересмотрев технику жидкого пилинга, чтобы отделить органический материал, сохраненный угольным шариком, от неорганических минералов, включая сульфид железа. Это позволяет кожуре дольше сохранять свои качества. [59] Изменения Читали начинаются после шлифовки поверхности угольного шара до гладкой поверхности. Ее процесс по существу включает в себя нагревание, а затем многократное нанесение растворов парафина в ксилоле на угольный шар. При каждом последующем нанесении концентрация парафина в ксилоле увеличивается, что позволяет воску полностью пропитать угольный шарик. На угольный шарик наносят азотную кислоту , а затем ацетон . [60] После этого процесс снова переходит в технику жидкого пилинга.

Порошковая рентгеновская дифракция также использовалась для анализа угольных шаров. [61] Рентгеновские лучи заданной длины волны пропускаются через образец для исследования его структуры. Это раскрывает информацию о кристаллографической структуре, химическом составе и физических свойствах исследуемого материала. Рассеянную интенсивность рентгеновской картины наблюдают и анализируют, при этом измерения включают угол падения и рассеяния, поляризацию, а также длину волны или энергию. [62]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcde Scott & Rex 1985, стр. 124.
  2. ^ аб Ноэ 1923a, с. 385.
  3. ^ ab Darrah & Lyons 1995, стр. 176.
  4. ^ Эндрюс 1946, с. 334.
  5. ^ Лейтон и Пепперс 2011.
  6. ^ «Мемориал Гилберту Хейвену Кэди» (PDF) . Геологическое общество Америки . Геологическое общество Америки . Проверено 23 апреля 2024 г.
  7. ^ Филлипс, Пфефферкорн и Пепперс 1973, стр. 24.
  8. ^ ab Phillips, Avcin & Berggren 1976, стр. 17.
  9. ^ Хукер и Бинни 1855, с. 149.
  10. ^ ab Перкинс 1976, с. 1.
  11. ^ abcde Phillips, Avcin & Berggren 1976, стр. 6.
  12. ^ Кливлендский музей естественной истории.
  13. ^ Стоупс и Уотсон 1909, с. 212.
  14. ^ Фелисиано 1924, с. 233.
  15. ^ Эндрюс 1951, с. 434.
  16. ^ ab Kindle 1934, с. 757.
  17. ^ Дарра и Лайонс 1995, с. 317.
  18. ^ Джеффри 1917, с. 211.
  19. ^ аб Эндрюс 1951, с. 432.
  20. ^ аб Эндрюс 1946, с. 327.
  21. ^ Скотт и Рекс 1985, с. 123.
  22. ^ Ломакс 1903, с. 811.
  23. ^ Габель и Дайч 1986, с. 99.
  24. ^ Демарис 2000, с. 224.
  25. ^ Evening Independent 1923, с. 13.
  26. ^ Фелисиано 1924, с. 230.
  27. ^ Хукер и Бинни 1855, с. 150.
  28. ^ Эванс и Амос 1961, с. 452.
  29. ^ Скотт и Рекс 1985, с. 126.
  30. ^ Лайонс и др. 1984, с. 228.
  31. ^ Мамай и Йохельсон 1962, с. 196.
  32. ^ аб Эндрюс 1946, с. 330.
  33. ^ abc Phillips, Avcin & Berggren 1976, стр. 7.
  34. ^ Сьюард 1898, с. 86.
  35. ^ Филлипс.
  36. ^ Бакстер 1951, с. 528.
  37. ^ Эндрюс 1951, с. 437.
  38. ^ аб Нельсон 1983, с. 41.
  39. ^ Phillips & Peppers 1984, с. 206.
  40. ^ Эндрюс 1946, стр. 329–330.
  41. ^ Ноэ 1923b, с. 344.
  42. ^ аб Мамай и Йохельсон 1962, с. 195.
  43. ^ Хукер и Бинни 1855, с. 1.
  44. ^ Фелисиано 1924, с. 231.
  45. ^ Галтье 1997, с. 54.
  46. ^ Скотт и Рекс 1985, стр. 124–125.
  47. ^ Галтье 1997, с. 59.
  48. ^ аб Эндрюс 1951, с. 433.
  49. ^ Джонс и Роу 1999, стр. 206.
  50. ^ Стоупс и Уотсон 1909, с. 173.
  51. ^ ab Phillips, Pfefferkorn & Peppers 1973, стр. 26.
  52. ^ Дарра и Лайонс 1995, с. 177.
  53. ^ Бакстер 1951, с. 531.
  54. ^ ab Scott & Rex 1985, стр. 125.
  55. ^ abc Сьюард 2010, стр. 48.
  56. ^ Габель и Дайч 1986, стр. 99, 101.
  57. ^ Эндрюс 1946, стр. 327–328.
  58. ^ Смитсоновский институт, 2007.
  59. ^ Джонс и Роу 1999, стр. 89–90.
  60. ^ Читали 1985, с. 302–303.
  61. ^ Демарис 2000, с. 221.
  62. ^ Университет Санта-Барбары, Калифорния, 2011.

Библиография

дальнейшее чтение