Krzemienie - Silicification
Silifikacja ( geologia ) to proces petryfikacji , w którym płyny bogate w krzemionkę przedostają się do pustych przestrzeni w materiałach ziemskich , tj. skałach, drewnie, kościach, muszlach itp. i zastępują oryginalne materiały krzemionką (SiO2). Krzemionka to naturalnie występujący materiał występujący w materiałach organicznych i nieorganicznych , w tym w skorupie i płaszczu Ziemi . Istnieje wiele różnych mechanizmów krzemizacji. Podczas krzemizacji drewna krzemionka przenika i zajmuje pęknięcia i puste przestrzenie w drewnie, takie jak naczynia i ściany komórkowe. Oryginalna materia organiczna jest zachowywana przez cały proces i stopniowo się rozpada. W krzemowaniuwęglany , krzemionka zastępuje węglany o tę samą objętość. Wymiana odbywa się poprzez rozpuszczanie pierwotnych minerałów skalnych i wytrącanie krzemionki. Prowadzi to do usunięcia oryginalnych materiałów z systemu. W zależności od struktury i składu pierwotnej skały, krzemionka może zastąpić tylko określone składniki mineralne skały. Kwas krzemowy (H4SiO4) w płynach wzbogaconych w krzemionkę tworzy soczewkowy, sferoidalny, włóknisty lub zagregowany kwarc , opal lub chalcedon, który rośnie w skale. Do krzemowania dochodzi, gdy skały lub materiały organiczne stykają się z bogatą w krzemionkę wodą powierzchniową, są zakopane pod osadami i podatne na przepływ wód gruntowych lub pod popiołami wulkanicznymi. Krzemienie jest często związane z procesami hydrotermalnymi . Temperatura krzemionkowania waha się w różnych warunkach: w umiarkowanych warunkach zakopania lub wód powierzchniowych temperatura krzemionki może wynosić około 25°−50°; natomiast temperatury dla wtrąceń płynu krzemionkowego mogą dochodzić do 150°-190°. Krzemionkujący może wystąpić podczas syn- depozycji lub stadium po depozycji powszechnie wzdłuż warstw zaznaczonych zmian sedymentacji , takie jak m.in. niezgodności lub samolotów pościel .
Źródła krzemionki
Źródła krzemionki można podzielić na dwie kategorie: krzemionka w materiałach organicznych i nieorganicznych. Pierwsza kategoria znana jest również jako krzemionka biogenna , która jest wszechobecnym materiałem u zwierząt i roślin. Ta ostatnia kategoria jest drugim najliczniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Minerały krzemianowe są głównymi składnikami 95% obecnie identyfikowanych skał.
Biologia
Krzemionka biogenna jest głównym źródłem krzemionki do diagenezy. Jednym z wybitnych przykładów jest obecność krzemionki w fitolitach w liściach roślin, czyli m.in. trawy i Equisetaceae . Niektórzy sugerowali, że krzemionka obecna w fitolitach może służyć jako mechanizm obronny przed roślinożercami, gdzie obecność krzemionki w liściach zwiększa trudności w trawieniu, szkodząc kondycji roślinożerców. Jednak dowody na wpływ krzemionki na dobrostan zwierząt i roślin są nadal niewystarczające.
Poza tym gąbki są kolejnym biogenicznym źródłem naturalnie występującej u zwierząt krzemionki. Należą do gromady Porifera w systemie klasyfikacji. Gąbki krzemionkowe są powszechnie spotykane z warstwami osadowymi krzemowymi , na przykład w formacji Yanjiahe w południowych Chinach. Niektóre z nich występują w postaci spikuli gąbczastych i są związane z kwarcem mikrokrystalicznym lub innymi węglanami po krzemowaniu. Może być również głównym źródłem osadów, takich jak czartery lub czartery w skamieniałych lasach.
Okrzemki , ważna grupa mikroalg żyjących w środowiskach morskich, w znacznym stopniu przyczyniają się do źródła diagenetycznej krzemionki. Mają ściany komórkowe wykonane z krzemionki, zwanej również gruszką okrzemkową . W niektórych silifikowanych skałach osadowych odkryto skamieniałości okrzemek. Sugeruje to, że grudki okrzemek były źródłem krzemionki do krzemowania. Niektóre przykłady to silifikowane wapienie mioceńskiej formacji Astoria w Waszyngtonie, silifikowany ignimbryt na polu gejzerów El Tatio w Chile oraz trzeciorzędowe krzemionkowe skały osadowe w odwiertach głębinowych zachodniego Pacyfiku. Obecność biogennej krzemionki w różnych gatunkach tworzy wielkoskalowy morski cykl krzemionki, który powoduje krążenie krzemionki przez ocean. Zawartość krzemionki jest zatem wysoka w obszarach aktywnego upwellingu krzemionki w osadach głębinowych. Poza tym muszle węglanowe, które osadzały się w płytkich środowiskach morskich, wzbogacają zawartość krzemionki na obszarach szelfu kontynentalnego .
Geologia
Głównym składnikiem górnego płaszcza Ziemi jest krzemionka (SiO2), co czyni ją głównym źródłem krzemionki w płynach hydrotermalnych. SiO2 jest składnikiem stabilnym. Często pojawia się jako kwarc w skałach wulkanicznych . Niektóre kwarce pochodzące z wcześniej istniejących skał pojawiają się w postaci piasku i kwarcu detrytycznego, które oddziałują z wodą morską, tworząc płyny krzemionkowe. W niektórych przypadkach krzemionka w skałach krzemionkowych jest poddawana przemianom hydrotermalnym i reaguje z wodą morską w określonych temperaturach, tworząc kwaśny roztwór do krzemionkowania pobliskich materiałów. W cyklu skalnym chemiczne wietrzenie skał uwalnia również krzemionkę w postaci kwasu krzemowego jako produkty uboczne . Krzemionka ze zwietrzałych skał jest wypłukiwana do wód i osadzana w środowiskach płytkomorskich.
Mechanizmy krzemowania w skałach wulkanicznych
Obecność płynów hydrotermalnych jest niezbędna jako medium dla reakcji geochemicznych podczas silikacji. W krzemowaniu różnych materiałów zaangażowane są różne mechanizmy. W krzemieniu materiałów skalnych, takich jak węglany, powszechne jest zastępowanie minerałów poprzez przemiany hydrotermalne; natomiast silikalizacja materiałów organicznych, takich jak drewno, jest wyłącznie procesem przenikania.
Wymiana
Zastąpienie krzemionki obejmuje dwa procesy:
1) Rozpuszczanie minerałów skalnych
2) Wytrącanie krzemionki
Można to wytłumaczyć zastąpieniem węglanu krzemionką. Ciecze hydrotermalne są niedosycone węglanami i przesycone krzemionką. Kiedy skały węglanowe wchodzą w kontakt z płynami hydrotermalnymi, ze względu na różnicę w gradiencie, węglany z pierwotnej skały rozpuszczają się w płynie, podczas gdy krzemionka wytrąca się z niej. Rozpuszczony węglan jest zatem wyciągany z układu, podczas gdy wytrącona krzemionka rekrystalizuje się w różne minerały krzemianowe, w zależności od fazy krzemionki. Rozpuszczalność krzemionki w dużym stopniu zależy od wartości temperatury i pH środowiska, w którym ma wartość pH 9. sterowania. W warunkach pH niższego niż 9, krzemionka wytrąca się z płynu; gdy wartość pH jest powyżej 9, krzemionka staje się wysoce rozpuszczalna.
Przenikanie
Podczas silikyfikacji drewna krzemionka rozpuszcza się w płynie hydrotermalnym i przenika do ligniny w ścianach komórkowych. Wytrącanie krzemionki z płynów powoduje osadzanie się krzemionki w pustych przestrzeniach, zwłaszcza w ścianach komórek. Struktury komórkowe są rozkładane przez płyny, ale struktura pozostaje stabilna dzięki rozwojowi minerałów. Struktury komórkowe są powoli zastępowane przez krzemionkę. Ciągła penetracja płynów krzemionkowych powoduje różne etapy silikyfikacji tj. Pierwszy i drugi. Utrata płynów z biegiem czasu prowadzi do cementacji silifikowanego drewna przez krzemionkę.
Szybkość krzemowania zależy od kilku czynników:
1) Szybkość pękania oryginalnych komórek
2) Dostępność źródeł krzemionki i zawartość krzemionki w płynie
3) Temperatura i pH środowiska do krzemowania
4) Zakłócenia innych procesów diagenetycznych
Czynniki te na wiele sposobów wpływają na proces krzemowania. Szybkość pękania pierwotnych komórek kontroluje rozwój szkieletu mineralnego, stąd zastąpienie krzemionki. Dostępność krzemionki bezpośrednio determinuje zawartość krzemionki w płynach. Im wyższa zawartość krzemionki, tym szybciej może zajść krzemionka. Ta sama koncepcja dotyczy dostępności płynów hydrotermalnych. Temperatura i pH środowiska determinują warunki zachodzenia krzemowania. Jest to ściśle związane z głębokością pochówku lub powiązaniem z wydarzeniami wulkanicznymi. Ingerencja innych procesów diagenetycznych może czasami powodować zakłócenia w silifikacji. Względny czas silikyfikacji w stosunku do innych procesów może służyć jako punkt odniesienia dla dalszych interpretacji.
Przykłady krzemowania
Silifikowane skały wulkaniczne
W Zatoce Poczęcia w Nowej Funlandii, na południowo-wschodnim wybrzeżu Kanady, doszło do skrzemizowania szeregu skał wulkanicznych powiązanych z prekambrem i kambrem. Skały składają się głównie ze spływów ryolitycznych i bazaltowych, z przewarstwieniami tufów kryształowych i brekcji. Regionalne krzemowanie miało miejsce jako wstępny proces przeobrażeń przed wystąpieniem innych procesów geochemicznych. Źródłem krzemionki w pobliżu obszaru były gorące płyny krzemionkowe z przepływu ryolitycznego w warunkach statycznych. Znacząca część krzemionki pojawiła się w postaci białego kwarcu chalcedonowego, żył kwarcowych oraz ziarnistego kryształu kwarcu. Ze względu na różnice w strukturze skał krzemionka zastępuje różne materiały w skałach znajdujących się w pobliżu. Poniższa tabela przedstawia wymianę krzemionki w różnych lokalizacjach:
| Lokalizacja | Wymieniono materiał | Forma krzemionki |
|---|---|---|
| Manuels | Sferolity ryolitów | Kwarc chalcedonowy |
| Clarenville | Masa gruntowa skał | Kwarc chalcedonowy z serycytem wzdłuż szklistych pęknięć |
Utwardzone skały metamorficzne
W Semail Nappe of Oman w Zjednoczonych Emiratach Arbskich znaleziono silikonowany serpentynit . Występowanie takich cech geologicznych jest dość nietypowe. Jest to pseudomorficzna zmiana, w której protolit serpentynitu był już zasilifikowany. W wyniku wydarzeń tektonicznych doszło do pęknięć podstawowego serpentynitu, a woda gruntowa przeniknęła wzdłuż uskoków, tworząc wielkoskalową cyrkulację wód gruntowych w warstwach. Poprzez rozpuszczanie hydrotermalne, krzemionka wytrącała się i krystalizowała wokół pustych przestrzeni serpentynitu. Dlatego krzemowanie można zaobserwować tylko na ścieżkach wód gruntowych. Krzemienie serpentynitu powstało w warunkach niskiego przepływu wód gruntowych i stężenia dwutlenku węgla.
Węglany silikonowane
Paleogen Madryt Basin w środkowej Hiszpanii jest umywalka przedpolu Alpine podwyżki. Litologia składa się z jednostek węglanu i detrytusu, które powstały w środowisku jeziornym. Jednostki skalne są silifikowane, gdzie w warstwach znajdują się minerały akordowe, kwarcowe i opalinowe. Jest zgodny z leżącymi poniżej pokładami ewaporatów , również datowanymi na podobny wiek. Stwierdzono, że w obrębie warstw skalnych występowały dwa etapy krzemowania. Lepszy stan i miejsce wytrącania krzemionki zapewnił wcześniejszy etap silikyfikacji. Źródło krzemionki jest nadal niepewne. W węglanach nie wykryto biogenicznej krzemionki. Jednak w węglanach znajdują się błony drobnoustrojów, które mogą sugerować obecność okrzemek.
Krasy to jaskinie węglanowe powstałe z rozpuszczenia skał węglanowych, takich jak wapienie i dolomity . Są one zwykle podatne na działanie wód gruntowych i rozpuszczają się w tych drenażach. Krasy krzemowe i osady jaskiniowe powstają, gdy płyny krzemionkowe dostają się do krasów przez uskoki i pęknięcia. Średnioproterozoiczny wapień meskalowy z grupy Apache w środkowej Arizonie jest klasycznym przykładem krasów krzemowych. Część węglanów we wczesnej diagenezie jest zastępowana przez kleszcze, a pozostała część jest całkowicie skrzemizowana w późniejszych stadiach. Źródło krzemionki w węglanach jest zwykle związane z obecnością krzemionki biogenetycznej; jednak źródłem krzemionki w wapieniu meskalowym jest wietrzenie bazaltów , które są ekstruzyjnymi skałami magmowymi o wysokiej zawartości krzemionki.
Drewno krzemowane
Krzemienie drewna zwykle zachodzi w warunkach lądowych, ale czasami można to zrobić w środowisku wodnym. Krzemianienie wód powierzchniowych można przeprowadzić poprzez wytrącanie krzemionki w gorących źródłach wzbogaconych w krzemionkę. Na północnym wybrzeżu środkowej Japonii gorące źródło Tateyama ma wysoką zawartość krzemionki, która przyczynia się do krzemizacji pobliskich zwalonych lasów i materiałów organicznych. Krzemionka szybko wytrąca się z płynów, a opal jest główną formą krzemionki. W temperaturze około 70°C i wartości pH około 3, osadzany opal składa się z ułożonych losowo kulek krzemionki o różnych rozmiarach.
Wczesna krzemizacja
Magma maficzna zdominowała dno morskie na poziomie około 3,9 Ga podczas przejścia Hadean – Archean . Z powodu szybkiego krzemowania zaczęła się formować felsowa skorupa kontynentalna . W archaiku, skorupy kontynentalnej w składzie tonalit-trondhjemite-granodiorytu (TTG), jak również granite- monzonit - sjenit apartamentów.
Dowody z Góry Goldsworthy
Archeańska sukcesja skał meta-osadowych na górze Goldsworthy w Pilbara Craton w zachodniej Australii ujawniła środowisko powierzchniowe Ziemi we wczesnych czasach, z dowodami na krzemowanie i zmiany hydrotermalne. Stwierdzono, że w odkrytych skałach dominuje SiO2 pod względem składu mineralnego. W wyniku oddziaływania hydrotermalnego z wodą morską w niskich temperaturach sukcesja została poddana silnemu krzemowaniu. Fragmenty litu zostały zastąpione kwarcem mikrokrystalicznym, a protolity zostały zmienione podczas silikacji. Stan krzemowania i pierwiastki, które były obecne sugerowały, że temperatura powierzchni i zawartość dwutlenku węgla były wysokie podczas osadzania syntetycznego i post-osadzania.
Dowody z pasa Barberton Greenstone
Pas Barberton Greenstone w Afryce Południowej, a konkretnie Supergrupa Suazi o masie około 3,5-3,2 Ga, to zespół dobrze zachowanych, silifikowanych skał osadowych. Ze składem od ultramafii do felsu, krzemionkowe skały wulkaniczne znajdują się bezpośrednio pod warstwą rogówki. Skały są bardziej skrzemizowane w pobliżu styku złoża, co sugeruje związek między osadzaniem się rogów a krzemowaniem. Krzemionka zmienione strefy ujawniają, że działalność hydrotermalne, jak w obiegu wody morskiej, aktywnie krążyć warstw skalnych przez złamań i przyczepić podczas osadzania pokój jednoosobowy Chert. Woda morska została podgrzana i dlatego zbierała materiały krzemionkowe spod wulkanicznego pochodzenia. Płyny wzbogacone w krzemionkę powodują skrzemizowanie skał poprzez przenikanie do materiałów porowatych na etapie syn-depozycji w warunkach niskiej temperatury.