Осаждение кремнезема

Большая часть кремнезема переносится в моря в виде истинного раствора, вероятно, монокремниевой кислоты H4SiO4 и с трудом осаждается непосредственно из воды при воздействии электролитов. Так как концентрации кремнезема в речных водах обычно на 2—3 порядка выше, чем в морской воде, то, вероятно, протекают процессы, которые обусловливают это понижение концентрации. Изменения в щелочности вод не оказывают никакого влияния на концентрацию в воде монокремниевой кислоты. Возможно, что кремнезем в речных водах адсорбируется на коллоидных и суспендированных твердых частицах или соосаждается вместе с ними. Там, где реки впадают в море, воды которого изобилуют электролитами, может быть удален почти весь растворенный кремнезем, причем кремнезем и твердые частицы осаждаются на дно. С другой стороны, гипотеза первичного неорганического осаждения кремнезема вызывает большое сомнение. Видимо, большая часть переносимого кремнезема первоначально используется микроорганизмами (диатомовыми водорослями, радиоляриями, губками и т. д.) для постройки скелетных образований. После отмирания кремнистые скелеты накапливаются, и, если их много, они могут в результате перекристаллизации образовать кермнистые породы близ поверхности осадка и непосредственно под ней.
В океанических осадках наибольшие концентрации растворенного кремнезема отмечены в верхней двухметровой части донных осадков, и они в основном обусловлены частичным растворением кремнистых остатков планктона. Силикатные пирокласты поставляют очень мало кремнезема. В осадках, богатых карбонатами, такие условия приводят к медленному росту желваковых кремней, тогда как в осадках, богатых глиной, образуются порцелланиты и слоистые кремнистые породы. В результате диагенетических процессов в качестве промежуточного метастабильного продукта обычно образуется кристобалит.
Диатомовые отложения. Диатомовые водоросли — это мелкие одноклеточные организмы с опаловыми стенками. Они составляют значительную часть планктона как в пресноводных озерах, так и в морях. Диатомовые водоросли наиболее интенсивно заселяют верхние слои воды, причем в море они встречаются до глубины 135 м, до которой проникают лучи света. Более прочные кремнистые остатки могут попадать в осадки на любых глубинах; однако их не так много в мелководных отложениях, вероятно, из-за того, что их присутствие маскируется обилием других осадочных материалов. В настоящее время крупные скопления диатомовых илов встречаются в глубоководных условиях в полярных морях, а в южных широтах в участках холодных течений — близ континентов, например у западного берега Южной Америки. В этих районах происходит обмен между поверхностными водами и богатыми питательными веществами восходящими глубинными водами, что обеспечивает круглогодичное обильное развитие организмов. Концентрация растворенного кремнезема в этих водах в несколько раз выше, чем в поверхностных водах других районов.
В Антарктике диатомовые илы образуют непрерывный пояс, окружающий зону терригенных отложений, которые окаймляют краевую часть постоянного ледового покрова. Поэтому илы часто содержат значительную примесь терригенного материала, привносимого плавающими льдами. Эти отложения сложены главным образом кремнистыми остатками диатомовых водорослей с некоторой примесью известковистых фораминифер; остатки других организмов встречаются крайне редко. При высыхании ил становится белым или желтоватым и порошкообразным и под микроскопом очень похож на диатомовую землю из пресноводных отложений (трепел, или кизельгур).
В настоящее время мелководные диатомовые отложения образуются в основном в пресноводных озерах. Плейстоценовые диатомовые земли широко распространены в Шотландии и северной Англии, где они обычно встречаются в виде линзовидных слоев среди озерных отложений, особенно среди отложений поздне- и послеледниковых озер.
Диатомовые земли Кентмира в Озерном округе в Англии выполняют древний ледниковый озерный бассейн. Эти отложения состоят из остатков диатомовых водорослей, смешанных с глиной и торфом, в свежем виде они темно бурые, но на воздухе быстро становятся темно-оливково-зелеными. В природном виде эти земли характеризуются исключительно высокой пористостью.
Мезозойские и кайнозойские диатомовые отложения известны во многих районах мира. Линзовидные слои этих осадков мощностью до 30 м и без признаков слоистости, широко развитые в озерах Рифтовой долины в Кении, были отложены в кайнозойское время. Некоторые из этих слоев сложены очень чистым материалом и содержат более 80% кремнезема.
Радиоляриевые отложения. В противоположность диатомовым водорослям радиолярии приурочены только к морским отложениям, причем они наиболее распространены в тропических, а не полярных водах. В настоящее время они дают скопления радиоляриевых илов, в которых кремнистые скелеты радиолярий содержатся в количестве 30—80% (рис. 10.1). Эти илы обычно красноватые и менее пластичны, чем бурые глины, из-за меньшего содержания глинистого материала; помимо кремнистых остатков организмов эти илы содержат почти те же минералы, что и бурые глины. В некоторых илах содержится много карбоната кальция, главным образом в форме раковин фораминифер; встречаются также остатки диатомовых водорослей и кремнистые спикулы губок. Радиоляриевые илы, по-видимому, приурочены к большим глубинам; образцы этих илов были подняты с самых больших глубин в западной части Тихого океана и в Индийском океане, где они, как полагают, покрывают площадь дна размером около 4,5 млн. км2.

Даже самые чистые радиоляриевые илы можно рассматривать всего лишь как разновидности бурой глины, обогащенные кремнистыми остатками организмов; и те и другие в равной мере характеризуются пониженным содержанием карбоната кальция. Однако существуют многочисленные промежуточные разновидности между кремнистым радиоляриевым илом и известковистым глобигериновым илом. Отложения, богатые остатками радиолярий, большей частью приурочены к тропическим и субтропическим районам.
Отложения с обильными остатками радиолярий известны в ордовикских толщах и встречаются почти по всему разрезу от нижнего палеозоя до плейстоцена. Кроме того, многие докембрийские кремнистые породы очень напоминают палеозойские радиоляриевые кремни и, вероятно, близки к ним по генезису. Известно, что многие древние радиоляриевые отложения накопились в мелководных условиях, а другие осадки, например отложения, встречающиеся вместе с подушечными лавами, образовались на морском дне, глубину которого определить трудно. Примеры истинных абиссальных накоплений, сопоставимых с современными радиоляриевыми илами, очень редки, к ним можно отнести осадки на Барбадосе и Тиморе, хотя они и ассоциируются с глобигериновыми мергелями. Тонкослоистые мезозойские радиоляриевые кремнистые породы Греции, по-видимому, образовались в результате диагенеза в базальных слоях, богатых остатками радиолярий и принадлежащих к турбидитным осадкам алеврита и красной глины. Остатки радиолярии приурочены не только к подобным отложениям, они широко распространены и в тонкоструктурированных морских осадках. Из-за малого размера радиолярий они обычно незаметны в обломочных породах, но легко определяются в нерастворимых остатках многих тонкозернистых известняков, например мелов. Радиолярии также часто присутствуют в фосфатных желваках в виде прекрасно сохранившихся экземпляров.
В более молодых радиоляриевых осадках, например в Океанической толще (верхний олигоцен и нижний миоцен) Барбадоса, тонкие детали строения радиоляриевых раковин очень хорошо сохранились. Даже в некоторых каменноугольных отложениях степень сохранности раковин высока настолько, что по ним можно восстановить их первоначальное строение. Однако в большинстве палеозойских кремнистых пород сохраняется только общая форма раковин радиолярий в кристаллах совершенно чистого кварца, окруженного мутным и более темным тонкокристаллическим халцедоном.
Рыхлые радиоляриевые осадки, известные как радиоляриевые земли, встречаются крайне редко, а в подавляющем большинстве радиоляриевые отложения представляют собой довольно прочные породы, которые называют радиоляритами.
Радиоляриевые кремни в Великобритании известны в основном в докембрийских, ордовикских и морских девонских отложениях, обычно в ассоциации с вулканитами: с подушечными лавами или зелеными песчаниками, образовавшимися за счет спилитов. Дальредские кремнистые породы Шотландии и докембрийского комплекса Мона в Англси имеют ярко-красную окраску из-за тонкорассеянных окислов железа; ордовикские кремни Шотландии характеризуются различными окрасками: серой или черной, обусловленной примесью углерода; бурой или красной из-за примеси окислов железа; зеленовато-серой, обусловленной, вероятно, примесью хлорита или эпидота. Эти кремнистые породы тонкозернисты и отличаются отсутствием или редким содержанием обломочных компонентов, за исключением незначительной примеси глинистого вещества, причем породы сложены в основном криптокристаллическим халцедоном. Эти породы отличаются исключительно высокой плотностью и в большинстве случаев практически неслоисты. Изредка встречаются в них окаменелости; обычно видны спикулообразные тела, но большинство из них, очевидно, представляют собой остатки шиповидных радиолярий, поэтому неясно, в какой мере распространены остатки губок. Вероятно, первоначально осадки были весьма сходны с современным радиоляриевым илом, а затем подверглись интенсивному окремнению, вероятно вскоре после отложения. Глубину отложения этих осадков нелегко определить, однако ясно, что они не накапливались на мелководье.
Радиоляривые кремни в каменноугольных отложениях несколько иные. Они обычно четко слоистые, серые, черные или белые, в зависимости от количества углерода в примеси. В юго-западной Англии в этих кремнях видны текстуры смятия, возникшие почти одновременно с осадконакоплением и объясняемые смещением осадка вниз по склонам на глубине около 500 м.
Считают, что юрские кремни в Альпах представляют собой абиссальные отложения, которые накопились в трогах глубоких геосинклиналей. Сходные по возрасту и строению осадочные породы приурочены к геосинклинали Загрос (рис. 10.2).

Спонголиты. Хотя кремневые губки обитают в основном в морях, спикулы губок могут также составлять значительную часть диатомовых отложений некоторых пресноводных озер. Во многих образцах, поднятых с океанического дна, встречено много спикул губок.
Остатки губок принимают то или иное участие в образовании каменноугольных, юрских и меловых пород Великобритании Кремни в каменноугольных отложениях образуют прослои и слои желваков; цвет их светло-серый, бурый и черный, в зависимости от состава вмещающих известняков или глинистых сланцев. Эти кремни образуются в результате замещения первичной породы, в них встречаются остатки различных морских организмов, отчасти замещенных кремнеземом (рис. 10.3).
В кремнистых породах слоев Пурбек (юра) в южной Англии присутствуют спикулы пресноводных губок Spongilla, а местам породы почти нацело сложены спикулами.

В Нижних Зеленых песках (мел) в южной Англии встречаются скопления спикул, слагающих слои, мощность которых изменяется от нескольких миллиметров до одного метра и более. Спикулы смешаны с обломочным материалом и глауконитом. Во многих местах в Нижних и Верхних Зеленых песках присутствуют кремни со спикулами, хотя пока не ясно, какую роль играли эти спикулы в образовании кремней. При диагенезе в кремнях происходили процессы перекристаллизации и во многих случаях первоначальные структуры разрушались (рис. 10.4) Флинт. Флинтом называются в основном кремнистые желваки, желваковые пропластки и линзы в белых мелах (White Chalk) в Западной Европе и в других районах развития мелоподобных пород в отложениях верхнего мела Флинтом называют также гальки многих третичных и четвертичных обломочных отложений. Галечники четвертичных террас Темзы и рек в юго-восточной Англии в районе распространения отложений мела сложены многократно переотложенными кремнями.
Флинт — это обычно очень плотная, твердая порода, хрупкая в коренном залегании; дает раковистый излом с чистой и гладкой поверхностью. Он просвечивает в тонких осколках; цвет на свежей поверхности скола бурый, черный или серый. Поверхность покрыта тонкой корочкой частично окремнелого мела Кремни сложены очень тонкозернистым халцедоном, который, как полагают, образовался биогенным путем. Кремнезем появляется в результате растворения опаловых скелетных частей губок и радиолярий; неясно, являются ли остатки диатомовых водорослей поставщиками кремнезема для этих кремней. Растворение кремнистых осадков начинается в верхних слоях мелового ила до глубины несколько метров, кремнезем перераспределяется, местами концентрируется и выпадает из раствора в виде кристобалитового порцелланита, особенно на тех участках, где широко развиты следы илоедов и роющих организмов и содержится много органического вещества. Скопления разлагающегося органического вещества в таких участках могут в достаточной степени понизить растворимость кремнезема, и в результате кремнезем выполняет поры и замещает окаменелости. Многие кремневые желваки представляют собой слепки ходов организмов.

Эти раннедиагенетические процессы, вероятно, обусловливают появление кремневых прослоев, расположенных примерно параллельно слоистости, хотя они обычно образовались после размыва дна мелового моря, имевшего место почти одновременно с осадконакоплением. Дальнейшее осаждение кремнезема на зародышах и его перекристаллизация в халцедон, вероятно, имели место в течение поздних стадий диагенеза и приводили к дальнейшему замещению вмещающего мела.