Кремневые породы или сицилиты

Современный теократический геологический момент не обеспечивает накопление высококремнистых осадков  даже вдали от континентов, т.е. противоположен эпохам кремненакопления (Монин, Лисицын, 1983; Мурдмаа, 1987). Но если уменьшить терригенный  сток в 2-15 раз, то и в Японском и в Охотском морях будут формироваться высококремнистые осадки, аналогичные древним силицитам (Волохин, 1985). Одно изменение тропического климата на умеренный может быть причиной уменьшения в 5-10 раз поступления терригенного материала (Страхов, 1962).

На примере кремнезема наглядно видны преимущества метода абсолютных масс, разработанного Н.М. Страховым. Метод позволяет вскрыть влияние разбавления и смешения материала на формирование осадков и их состав. Так, этим методом установлено, что 85-90% всего кремнезема, поступающего на дно морей и океанов, отлагается не там, где наиболее чистые кремневые илы (дно океанических котловин), а на континентальной окраине (шельф, окраинное море, континентальный склон), хотя здесь собственно кремневые осадки (с содержанием SiO_2своб > 50%) редки.

На кремненакопление влияет и батиметрическая зональность  в морях и океанах: часто силициты формируются пассивно, за счет растворения  карбонатных компонентов ниже критической  глубины (КГК), которая варьирует  от 4500 до 3000 м и иногда поднимается  еще выше - в зонах апвеллингов  и снижения рН воды. Труднее растворимые  кремневые биокомпоненты накапливаются  как своеобразная терра-росса. При  еще более длительной экспозиции этих осадков на поверхности дна (а это осуществляется при очень  медленных скоростях седиментации) растворяются и кремневые компоненты.

Детальнее условия кремненакопления были охарактеризованы в преамбуле  раздела 6.6. 

6.6.3. Способы формирования  силицитов

Как условия, так и способы  накопления силицитов весьма разнообразны и их можно разделить на седиментационные, постседиментационные, метасоматические и элювиальные. Небольшая часть силицитов формируется механическим способом, это кремнеобломочные породы. Впрочем, их можно отнести к седиментационным.

6.6.3.1. Седиментационные способы  образования в свою очередь  неоднородны и подразделяются  на биогенные, хемогенные и механогенные. Относительно более прост и ясен способ накопления биогенных силицитов, образующихся из скелетных остатков организмов и представленных планктоногенными и бентосными генетическими типами. Самые распространенные в фанерозое планктоногенные силициты - радиоляриевые и диатомовые кремневые осадки и породы - накапливаются гравитационным способом после отмирания организмов. Из-за незначительных размеров диатомей и многих радиолярий большая часть их скелетов может достичь дна глубоких котловин нередко через сотни лет и поэтому при медленном опускании они почти нацело растворяются (Johnson, 1974; Calvert, 1974; и др.).

Однако в природе нашелся  способ преодолеть этот физический закон - это биоседиментация, одним из пионеров изучения которого является А. П. Лисицын (1966, 1974, 1978, 1982 и др.). Многие морские животные, питающиеся планктоном, в кишечнике агрегируют мельчайшие скелетные фрагменты и целые панцири в комочки - пеллеты, или копролиты, являющиеся фекалиями разных размеров и формы. Как более крупные тела они быстрее достигают дна даже на километровых глубинах. Все же 97% массы биоскелетов, не доходя до дна, растворяется в толще воды и, таким образом, снова возвращается в нее. Лишь 3% биогенно извлеченного кремнезема достигает дна, главным образом в виде фекалий, но 1,5% этого количества растворяется в верхнем слое осадков в условиях щелочной среды иловых вод и снова возвращается в наддонную воду, рассеиваясь течениями. Лишь 1,5% биогенно извлеченного кремнезема (3,2*10¹⁴ г/год) фиксируется в осадке, причем часть его идет на реакции с глинистыми минералами, играющими роль буфера, другая часть переотлагается в более устойчивых, уже химически выделившихся формах (опал, кристобалит, халцедон, кварц). Только незначительная часть первичного биогенного кремнезема остается в виде скелетных форм, хотя изменения происходят и в них. Все это показывает незначительный осадкообразовательный КПД кремневого седиментогенеза, как и карбонатного, фосфатного и др.

Планктоногенные биосилициты  как генетический тип отложений  подразделяются на пелагические, западинно-шельфовые, лагунные и озерные, которые можно  рассматривать как подтипы или  самостоятельные генетические типы (особенно сильно отличаются режимом  седиментации озерные биолиты), а  вместе они образуют единый фациальный ряд (естественно прерывающийся  на участках неотложения силицитов): озерные (горные и равнинные) - лагунные - западинно-шельфовые - пелагические силициты. В этом ряду нарастает роль биоагрегатной  седиментации от континентов к центральным  частям океанов.

Бентосное кремневое осадконакопление связано с кремневыми губками (см. преамбулу 6.6), спикулы которых остаются на месте после распада мягких частей тела или разносятся течениями  на то или иное расстояние, нередко  значительное, по крайней мере на десятки километров, а в турбидитах и на большие. Таким образом, можно различать инситное и перемещенное, механогенное накопление спонголитов, что лежит в основе выделения двух их генетических типов (или подтипов). Большая часть спикул рассеивается в других осадках как примесь к глинам, алевритам, пескам и известнякам.

Хемогенное кремненакопление, несомненно, происходило и происходит, но неясны его масштабы и роль в  образовании абиоморфных силицитов - трепелов, опок, кремней и яшм, преобладающая  часть кремнезема которых не имеет  биоморфной структуры. Бесспорно хемогенными являются отложения горячих источников - кремневые туфы, гейзериты, многие корки, а также гнезда и линзы яшм в базальтах и других эффузивах. Подавляющая масса силицитов не имеет биоморфной структуры, и они называются поэтому криптогенными, т.е. породами скрытого генезиса. Одни литологи считают их на этом основании хемогенными, другие (в том числе Н.М. Страхов и автор) допускают возможность их первичной биогенности (хотя бы для части этих пород), признаки которой - та или иная биогенная структура (радиоляриевая, диатомовая или иная) - позднее, в диагенезе или катагенезе, были стерты при трансформации биоморфного опала в хемогенный глобулярный.

Чтобы подойти к решению  этой дилеммы, необходимо прежде всего обсудить возможности химической садки в природных водах на современном этапе развития гидросферы (Бруевич, 1953; Волохин, 1985; Геохимия кремнезема, 1966; Краускопф, 1963; Самойлов, 1917). Растворимость (в мг/л) в морской воде при 25°С и 1 атм кремневого геля - 140, аморфного кремнезема - опала - 105-110, кристобалита - 60, тридимита - 38, кварца - 5-6 (Wollast, 1974). Иными словами, растворимость разных форм кремнезема мала, но отличается довольно сильно, что создает возможность одновременного и в одной точке осадка растворения тех форм, по отношению к которым раствор ненасыщен (например, аморфного опала), и осаждения в другой форме, по отношению к которой раствор оказывается пересыщенным (кристобалит, тридимит, тем более халцедон или кварц).

Растворимость аморфного  кремнезема также неодинакова, она  уменьшается с уменьшением водосодержания кремневого геля к опалу и удельной площади поверхности частиц, а  для кристаллических форм - с увеличением  степени совершенства структуры. Растворимость  биогенного опала различна в разных группах организмов и определяется удельной площадью поверхности, защитными  пленками, структурой и составом опала. Многие опалы, как биогенные, так  и абиогенные, обладают определенной упорядоченностью строения и квазикристаллической структурой, и поэтому менее растворимы по сравнению с неупорядоченным опалом, который также слагает биогенные формы. Поэтому происходит избирательное и предпочтительно растворение биокомпонентов с неупорядоченным опалом и выпадение хемогенного, более упорядоченного. 

Растворимость минералов  кремнезема (Волохин, 1985; Геохимия кремнезема, 1966; Казанский и др., 1968; Мицюк, 1972), практически не меняющаяся при обычных  на поверхности рН (6-7,5 или до 8), резко  возрастает при повышении рН до 8,5-9,0 и выше (рис. 6.7), при повышении  температуры и менее заметно - давления (табл. 6.4.). 

<!--[if gte vml 1]> <![endif]-->

Рис. 6.7. Условия осаждения  и растворения кремнезема и карбоната  кальция в зависимости от рН и  концентрации компонента (по Г.М. Фридману, из Логвиненко, 1984, с дополнениями): 1 - кальцит в морских водах; 2- кальцит  в пресных водах; 3 и 4 - аморфная SiO₂ при температурах 0 (4) и 25°С (3). Зоны: I - растворения арагонита и кальцита, осаждения кремнезема; II - осаждения всех фаз; III - осаждения кальцита, арагонита, растворения кремнезема. На врезке - график растворения порошка кварца  

<!--[if gte vml 1]> <![endif]--> Современная  гидросфера в 6-300 раз недонасыщена  кремнеземом, ибо в морской  воде его содержание 0,5-6 мг/л, а  в речной - до 13 мг/л. Следовательно,  химическая садка невозможна, по  крайней мере из истинных растворов. Именно в форме ионных растворов мономера ортокремневой кислоты H4Si04 находится большая часть (80-90%) растворенного кремнезема в гидросфере. Доля коллоидной формы растворов (Чухров, 1955; Набоко, 1954, 1969; и др.), как видим, мала, поэтому хотя и возможна садка в виде геля из коллоидной формы (она не требует насыщения), но из-за ничтожно малого содержания ее в воде седиментологического результата (даже миллиметрового слоя) практически не бывает: эти чрезвычайно разведенные коллоиды теряются в массе другого вещества и могут создать лишь небольшую примесь к карбонатным или глинистым осадкам, где они будут находиться в рассеянной форме.

Основная причина резкой недонасыщенности современной гидросферы кремнеземом - интенсивное его извлечение кремневым биосом, отрицательное, подавляющее  влияние которого на химическую садку  прогрессирует. Н.М. Страхов (1966), экстраполируя  современное соотношение биоса  с содержанием кремнезема в морях  в прошлое, приходит к выводу, что  уже в позднем протерозое кремнезем  не насыщал морскую воду. Сначала  главными осадителями кремнезема были радиолярии и отчасти губки, а  с середины мела - диатомей (Волохин, 1985). Последние извлекают его настолько  быстро и интенсивно (см. 6.6.1), что через несколько тысячелетий (13 000 лет, по Р. Волласту, 1974) океан должен был бы лишиться кремнезема. Этого не происходит, как мы видели, потому что 97-98,5% его снова возвращается в морскую воду вследствие растворения биоскелетов.

Таблица 6.4

Растворимость кварца (г на 1000 г раствора) по четырем геотермобарам (Wollast, 1974, из Волохина, 1985)

Несомненно, в докембрии, особенно глубоком (в архее), когда  жизнь не была так развита и  ее влияние на седиментогенез было значительно меньшим, кремнезем, вероятно, часто насыщал морскую воду и  выпадал химическим способом как из истинных, так и из коллоидных растворов, доля которых была во много раз большей в условиях насыщения ионной формой. Подтверждением химического способа седиментации и бесспорным документом служат железистые кварциты (Мельник, 1973) и другие хемогенные силициты протерозоя и архея, являющиеся пелагическими или во всяком случае открытоморскими осадками. Позднее, по мере увода кремнезема на построение скелета, возможности химической садки на больших площадях уменьшились, и к настоящему моменту они остались только в локальных участках, где кремнезем подается в массовом количестве и не успевает разбавиться недонасыщенной водой, - у выходов гидротерм и других источников как на суше (Мицюк, 1974а,б; Набоко, 1954, 1969; и др.), так и на морском дне (Красноморский, Галапагосский, Калифорнийский и другие рифы, где обнаружены горячие источники с большим содержанием кремнезема; Solomon, 1980). Химически осажденные опалиты формируются в ручьях вулкана Менделеева на о. Кунашир (Большая Курильская гряда) и других вулканов, и можно надеяться на их обнаружение на океанском дне. Это особый генетический тип хемогенных осадков - именно гидротермные отложения. Вероятно, и часть древних трепелов, опок, яшм и кремней принадлежит этому типу отложений.

6.6.3.2. Постседиментационные  метасоматические способы образования  силицитов довольно неоднородны  и могут быть условно разделены  на два главных - конкрециеобразовательные  и собственно метасоматические.

Конкреционные кремни (Бушинский, 1958; Левитан, 1979; и др.; Македонов, 1966; Русько, 1953; и др.) широко распространены в карбонатолитах (рис. 6.8), обычны в  кремневых толщах, например в яшмовых, более редки во всех других. Конкреции чрезвычайно разнообразны по форме и размерам и четко отражают прежде всего текстуру вмещающих пород, они неодинаковы и по степени концентрации и стягивания кремнезема. Щелочной характер иловых вод карбонато-литов приводит к максимальной степени стягивания и концентрации кремнезема, который становится химически подвижным, скелетные остатки и даже кварцевые зерна растворяются, и вещество может диффундировать через пористый и водонасыщенный осадок к центрам стягивания, где оно снова выпадает в твердую фазу, наращивая массу и объем первоначального зародышевого зерна. Такими центрами чаще всего становятся микроучастки осадка с низкими рН, например у трупов организмов и других скоплений органического вещества, разложение которого генерирует органические кислоты и Н2СО3. Выпадение кремнезема в твердую фазу на конкреции снижает насыщенность окружающих ее иловых вод кремнеземом, и сюда снова подтягиваются ионы кремнезема. Так может продолжаться до тех пор, пока существует градиент концентраций между приконкреционными водами и далеким окружением и пока осадок проницаем для диффузного перемещения вещества.

<!--[if gte vml 1]> <![endif]-->

Рис. 6.8. Халцедоновые кремневые конкреции в писчем мелу (гора Кременец у г. Изюма на р. Северском Донце)

Процесс стягивания кремнезема, вероятно, начинается еще в стадию сингенеза, или гальмиролиза, продолжается в диагенезе и катагенезе. О  последнем свидетельствуют вертикальные мостики между разноуровневыми  горизонтами кремней и выполнения трещин скола в известняках. При  этом начинают действовать не только разница концентраций, но и закон  действия масс: опередившие в росте  конкреции затем будут наращиваться с большей скоростью, чем мелкие, которые могут даже растворяться, чтобы надстроить своим кремнеземом  более крупную конкрецию. По мере замедления роста приводятся в действие все более тонкие механизмы, например различие растворимостей разных форм кремнезема: растворяются менее упорядоченные, по отношению к которым иловый раствор недонасыщен, а выпадает кремнезем в более упорядоченной  форме (халцедон, кварц), по отношению  к которой он пересыщен. Объемы конкреций  сопоставимы с седиментогенными силицитами на платформах.