Кремневые породы или силициты

Кремневые породы или силициты

Кремневыми породами, или силицитами, называются осадочные породы, более чем наполовину состоящие из минералов группы кремнезема - опала, кристобалита, тридимита, халцедона и развивающегося по ним кварца. Еще употребляющийся термин «кремнистые породы» неудачен, ибо по русски суффиксом «-ист» выражается лишь примесь, т.е. подчиненная часть породы. В силицитах же кремневое вещество преобладает.

В эту группу не включаются кварцевые пески, являющиеся обломочными, т.е. вторичными по компонентному составу породами, возникшими за счет механического и реже химического выветривания всех других кварцсодержащих пород в зоне осадкообразования.

По внешнему виду все силициты делятся на две группы

1. Землистые, матовые, порошковатые, некристаллические породы, из-за чего их часто называют «землями», например, диатомовыми или радиоляриевыми. Эта группа объединяет опаловые и опал-кристобалитовые породы: в нее входят как биоморфные породы (диатомиты, радиоляриты и некоторые спонголиты), так и абиоморфные (трепела, опоки и другие опалиты - кремневые туфы и гейзериты). В образцах их структура пелитоморфная, т.е. визуально они незернистые и глиноподобные.

2. Породы второй группы стекловатый, сливной вид, афанитовую структуру, эти кремни в полном смысле слова. Это в основном халцедоновые, часто кварц-халцедоновые и кварцевые. Последние, строго говоря, уже кварциты, но по внешнему виду, микрозернистой структуре и другим признакам еще близкие к хацедонолитам, из которых они образовались путем перекристаллизации. Поэтому их часто называют терминами кремневой группы - кремнями, яшмами, фтанитами или лидитами.

Кремневые породы имеют разнообразную окраску, определяемую примесями и используются в качестве декоративных и полудрагоценных камней.

Классификация силицитов (см. таблицу).

Она основана на признаках минерального состава и структуры. По минеральному составу делятся на две группы:

1) опал или опал-кристобалит,

2) халцедон и халцедон-кварц.

По структуре силициты делятся также на две группы:

1) биоморфные,

2) абиоморфные

Наиболее определенно и однозначно, по крайней мере в шлифах, устанавливаются диатомиты, радиоляриты и спонголиты - по их диатомовой, радиоляриевой и спикуловой, т.е. яснобиоморфной структуре. Иногда их называют также трепелами, опоками или гёзами (с добавлением прилагательных «диатомовые», «радиоляриевые» и «спикуловые»), если они опаловые (или опал-кристобалитовые), или кремнями (с теми же прилагательными, хотя диатомовые халцедонолиты весьма редки), а также яшмами (в основном радиоляриевыми), если они халцедоновые или кварц-халцедоновые.

Абиогенные силициты по структуре подразделяются менее четко. Условно можно различать: как бы бесструктурные, сплошные, однородные, т.е. микроскопически незернистые породы, и в той или иной мере зернистые - глобулярные (при сдавливании шариков опала под давлением.

Трепел и опока отличаются лишь степенью литифицированности (оцениваются только макроскопически: трепел пачкают руки, а опока нет).

«Гейзериты» - отложения гейзеров, также «корки» и «натеки».

Во Франции большая часть опок называется гёзами. В американской литературе опоковидные силициты со структурой и изломом неглазированного фарфора называются порцелланитами. Это твердые пористые породы с примесью глинистого, алевритового и карбонатного материала. Твердость обусловлена не только кристобалитом, но и халцедоном.

Все халцедоновые и кварц-халцедоновые силициты следует называть кремнями (хотя в более широком смысле слова кремни можно считать синонимом силицитов в целом). Отдельные разновидности кремней получили собственные названия.

Яшмы - красные, а также зеленые и других расцветок, обычно тонкослоистые или полосчатые, реже массивные. Имеют не только практическую ценность, но и часто свидетельствуют о вулканическом парагенезе пород, яшмы часто образуются за счет гидротермально поставленного кремнезема, поэтому обогащаются соединениями железа, марганца, молибдена и др. Этим они документируют вулканизм и вулканический парагенез пород.

Фтаниты (лидиты) - черные кремни, обогащенные гумусовым или углеводородным веществом. В европейской литературе наряду с «кремнем» (chert - чэрт) используется и термин «флинт», которому чаще всего придают узкое значение - конкреционные кремни в карбонатных породах. В США пластовые кремни называют «новакулитами» - это плотная однородная криптокристаллическая кварцевая порода, применяемая как тонкий и ценный абразив.

Выделение кварцевых силицитов условно, это фактически кварциты, а именно апосилицитовые кварциты, т.е. возникшие по осадочным силицитам. Двойное название, например, яшмо-кварциты, обусловлено сохранением признаков первичной структуры яшмы.

Минеральный и химический состав

Основных минералов силицитов немного: опал, кристобалит, тридимит, халцедон и кварц. Однако в действительности кристаллохимия минералов кремнезема более сложная, еще во многом неясная.

Опал - преимущественно или только аморфный кремнезем - SiO₂nH₂O, с переменным содержанием воды, с низкой плотностью (около2,1), растворимый в КОН, с низким показателем преломления (чаще всего от 1,38 до 1,46). Опал биоскелетов имеет n = 1,440 ±0,002, что соответствует содержанию воды около 9%. Опал обнаружен только в кайнозойских и мезозойских силицитах, а в более древних - он замещен кристаллическими формами кремнезема, в основном, халцедоном и кварцем.

Кристобалит SiO₂ низкотемпературный полукристаллический тетрагональной или псевдокубической сингонии с низким преломлением и двупреломлением (почти изотропный), существующий при температуре до 200-275ºС, обычно коллоидальный по размерам кристалликов, пластичный или волокнистый, метастабильный, растворяется в расплавленной Na₂CO₃. В седиментогенных и метасоматических опалитах более распространен неупорядоченный кристобалит, который понимается неодинаково и называется по разному. По-видимому, это непрерывный стадийный ряд раскристаллизации рентгеноаморфного биоморфного и хемогенного опала (опал А) - от почти чистого опала с зачаточными кристаллами до чистого кристобалита или тридимит-кристобалита.

Ю.Н. Сеньковский (1977) в этом ряду выделяет следующие минеральные виды: опал-кристобалит 1 (О-К-1) и опал-кристобалит 2 (О-К-2), которые скорее являются группами минеральных фаз. Употребляются и другие названия: люссатит, неупорядоченный тридимит, опал-кристобалит-тридимит.

Люссатит нередко относят только к существенно кристаллическому образованию, в котором, однако, содержание кристаллической кристобалитовой (возможно, и подчиненной тридимитовой) фазы точно не установлено. Под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) четко устанавливается, что опалиты слагаются глобулями диаметром 1-2 мкм (1 мкм=10^-6м), представляющими собой леписферы, т.е. срастания опала с пластиночками кристобалита, образующимися прежде всего во внешней части глобулей, которые напоминают гипсовые розы.

Тридимит SiO₂ низкотемпературный, ромбический или моноклинный, коллоидально-пластинчатый и волокнистый минерал с низким преломлением и двупреломлением (почти изотропный), метастабильный, при t =117ºС переходящий в высотемпературную модификацию, а потом и в кварц.

Халцедон SiO₂nH₂O - группа ультра- и криптоволокнистых по размеру коллоидальных минералов с кристаллической решеткой кварца, хотя это признается не всеми. Р. Фолк и К.Уивер (1952) под электронным микроскопом обнаружили в халцедоне кремней ультрамикропоры диаметром 0,1 мкм, которые обычно заняты молекулами воды и обуславливают понижение, по сравнению с кварцем, плотности и показателя преломления. Итак, халцедон, скорее всего, ультрамикроволокнистая губчатая разновидность кварца, чаще всего сферолитоагрегатная, с 1% воды, возможно, с опалом (до 10%), хотя это признается не всеми.

Кварц SiO₂ безводная полнокристаллическая разновидность кремнезема тригональной сингонии с низким положительным рельефом. Иногда различают кварцин, лютецит, халцедонит, псевдохалцедон, которые следуют рассматривать, как разновидность халцедона, составляющие его группу. Их в шлифах трудно отличить друг о друга. Также практически неотличимы кристобалит и тридимит друг от друга и от опала, когда изучаются шлифы опок и трепелов.

Химический состав

Силициты характеризуются высоким содержанием SiO₂, часто приближающимся к 99% и выше. Но поскольку в силицитах встречаются почти любые по составу примеси - карбонатные, железные, глиноземистые, фосфатные, силикатные, органические - то химический состав большинства кремней более сложный, и содержание кремнезема уменьшается до 50% и ниже, когда силициты переходят в известняки, бокситы, фосфориты, глины, песчаники.

Геология силицитов

Кремневые породы - одна из четырех основных формациеобразующих групп осадочных пород. Они образуют яшмовую, кремнесланцевую, опоко-трепельную или доломитовую формации и в качестве

формациеобразующих или акцессорных членов входят в известняковые шельфовые и океанические, во флишевые (диатомовый, кремневый и яшмовый флиш), вулканогенно- осадочные и некоторые другие формации.

Различают две геологические формы кремневых тел: пластовую и желваковую. Силициты редко образуют мощные элементарные простые пласты. Их мощность измеряется метрами, чаще всего долями метров, нередко сантиметрами. Чаще всего мощные пласты оказываются сложными пачками, в которых элементарные слои разделены прослоями глинистых, песчаных, карбонатных, фосфатных и других пород.

Конкреционные кремни, как халцедоновые и кварцевые, так и более редкие, опаловые и кристобалитовые, встречаются, главным образом, в карбонатных породах, реже в кремневых, песчаных и фосфатных, и еще белее редко в глинистых. При изометричной форме диаметр конкреций достигает 0,3-0,5 м. Чаще они уплощены и обычно неправильны, сложной и причудливой формы, с множеством выростов, бугров, шипов, нередко вертикально удлинены или представляют собой окремнелые ходы десятиногих раков и других беспозвоночных.

Кремневые породы обнаруживают отчетливую эволюцию в истории Земли. В докембрии неизвестны биоморфные кремни и главным их литотипом являются железистые кварциты, переходящие в железные руды, а подчиненным - сидерито-железисто-кварцитовые породы. Несколько позже появились фтаниты, возможно, и яшмы. С начала кембрия встречены радиляриты, и их «удельный вес» в силицитах возрастал до позднего мела-палеогена, когда пышное развитие диатомей оттеснило их на второе место. Диатомеи, максимум которых, возможно, еще впереди, заняли большинство экологических ниш радиолярий. Спонголиты известны с раннего палеозоя, но, возможно, образовывались и раньше.

Платформенные силициты типа трепелов и опок, вероятно, в основном молодые - мезо-кайнозойские. Современные океанические диатомовые и радиоляриевые илы не являются их полным аналогом, т.к. накапливаются в иной тектонической и палеогеографической обстановке - не на платформе, а на океанов и в глубоководных желобах, что определяет многие их отличия.

Достоверные современные аналоги яшм неизвестны, возможно, из-за недостаточной изученности соответствующих обстановок на дне котловин морей и непохожести их прототипических образований. Действительно, современные аналоги должны быть рыхлыми и опаловыми, так как яшмы крепкие и халцедоновые.

Происхождение силицитов

Генезис большинства силицитов остается неясным или спорным как по источнику вещества, так и по способу и условиям накопления и стадиям преобразования. Хотя среди конкурирующих генетических гипотез есть взаимоисключающие (биогенная и хемогенная, эндогенная и экзогенная и др.), опыт изучения силицитов показывает, что в известной мере справедлива каждая из них. Это косвенно свидетельствует о полигеничности кремней.

Более ясны по генезису биоморфные силициты, поскольку сохраняется их первичная структура, указывающая на способ формирования осадка. Для выяснения условий их накопления необходимо прежде всего использовать сравнение с современными их аналогами. Организмы с кремневым скелетом в настоящее время в гидросфере распространены почти повсюду - в морских и пресных водах и на всех широтах. Но все же биокремневые осадки тяготеют к холодным водам, и это связано не столько с холоднолюбивостью диатомей, радиолярий или губок, сколько с меньшей конкуренцией со стороны известкового планктона и бентоса - кокколитофорид, фораминефер, известковых губок и других форм.

В современном океане кремневые планктонные осадки образуются в 3-х широтных поясах: двух высокоширотных диатомовых и в экваториальном диатомово-радиоляриевом. Наибольший (шириной 900-1200 км) и непрерывный - приантарктический пояс с максимальным содержанием в осадках до 70%. В северном полушарии преобладание материковой суши над акваториями выразилась в подавленности кремненакопления терригенным потоком вещества, и поэтому диатомиты не образуют сплошного пояса, а максимальное содержание свободного кремнезема редко превышает 50%.

В экваториальном поясе, развитом в Тихом и Индийском океанах из диатомей резко преобладает необычно крупная форма (до 1 мм) этмодискус. Количество радиолярий в Тихоокеанском поясе увеличивается в восточном направлении, что еще требует объяснения.

Полной аналогии современных биокремневых осадков с древними слицитами нет. Последние более чистые: содержание свободного глинозема в них часто превышает 90-95%, чего мы не находим в современных осадках. Мощности древних силицитов большие, а площади меньшие и фации узкие.

Наиболее трудны для восстановления генезиса абиогенный кремни, хотя и отношении биогенных не все ясно. Например, каков источник кремнезема?

Источник кремнезема

До настоящего времени довольно широко распространено мнение, что расцвет биоса, в т.ч. и кремневого, зависит от ежегодной поставки с суши или из гидротерм кремнезема.

Н.М.Страхов (1963) показал, что главный источник кремнезема для построения биоскелета - его запасы в Мировом океане, оцениваемые в 5,3 х10¹⁸ т. Ежегодно БИОС извлекает из океана 2,5х10¹⁶ т. SiO₂, что во многие десятки раз превышает его поступление из всех источников. Суммарное поступление SiO₂ в Мировой океан составляет 2% от извлекаемого биоса.

Диатомеи могут развиваться и без наличия свободного кремнезема в воде. Опытами доказано, что они могут разлагать глинистую взвесь и другие силикаты и извлекать из них кремнезем, лишь бы были более жизненно необходимые условия: свет, СО₂, нитраты и другие питательные вещества, из которых строится мягкое тело. Но этот способ добывания кремнезема для построения скелета энергетически менее выгоден, чем из раствора, поэтому и повышенное его содержание в морской воде - благоприятный фактор для развития кремневого биоса.

Много споров вызывает количество кремнезема эндогенного происхождения. Одни оценивают его как равное речному стоку, другие намного завышают. Кремнезем выносится из базальтовой океанической коры (~1% от всего кремнезема в океане) и поэтому не может считаться основным источником силицитов.

Таким образом, основным источником кремнезема для морских силицитов фанерозоя были запасы Мирового океана, постоянно пополняющиеся речным вносом и отчасти (1%) эндогенным выносом.

Условия кремненакопления

1. Пассивный тектонический режим.

2. Низкое стояние материков.

3. Небольшие размеры суши.

4. Ее плоский рельеф.

5. Лучше всего аридный климат.

Все это исключает поставку большого количества терригенного и известкового материала, что могло бы подавить кремнеобразование. На кремнеобразование влияет и батиметрическая зональность: силициты образуются на глубинах более критической для карбонатообразования (3 - 4,5 км). Современный геологический момент не обеспечивает накопления высококремнистых осадков, даже вдали от континентов: слишком велики терригенный сток и климат (одно изменение тропического климата на умеренный может быть причиной уменьшения в 5-10 раз поступления терригенного материала).

Способы формирования силицитов

Как условия, так и способы накопления слицитов весьма разнообразны и их можно разделить на

1) седиментационные,

2) постседиментационные метасоматические,

3) элювиальные.

1. Седиментационные способы образования делятся на

а) биогенные,

б) хемогенные,

в) механогенные.

А) Относительно более прост и ясен способ накопления биогенных силицитов, образующихся из скелетных остатков организмов. 97% массы биоскелетов растворяется, не доходя до дна, лишь 3% в виде копролитов (т.е. фекалий, прошедших через организмы морских животных) достигает дна, из них 1,5% фиксируется в осадке, 1,5 % растворяется в верхнем слое осадка и рассеивается течениями.

Б) Хемогенное кремненакопление, несомненно, происходило и происходит, но неясны его масштабы. Бесспорно хемогенными являются гейзериты, корки, налеты. Подавляющая масса силицитов не имеет биоморфной структуры - поэтому неясно, хемогенные ли они или биогенны. Современная гидросфера в 6-300 раз недонасыщена кремнеземом, следовательно, химическая садка невозможна, по крайней мере, из истинных растворов. Основная причина ненасыщенности - интенсивное извлечение кремнезема биосом. Несомненно, в докембрии, когда жизнь не была так развита, кремнезем выпадал из раствора химическим способом. Современные силициты формируются в участках выходов гидротерм.

Постседиментационные метасоматические способы образования

Могут быть условно разделены на

а) конкрециеобразование,

б) собственно метасоматические

Конкреции широко распространены в карбонатах, разнообразные их формы образуются при стягивании кремнезема путем диффундирования через пористый и водонасыщенный осадок в центр, которыми являются микроучастки осадка с низким рН, например, у трупа организма.

Метасоматические кремни образуются при замещении карбонатных и других пород кремнеземом, чаще всего халцедоном и кварцем. Они близки к конкрециям, но есть различия:

- метасоматиты обычно неправильной формы,

- нет четких границ с вмещающей породой,

- нередко секут ее слоистость,

- никогда не огибаются ею,

- часто по составу кремнезема и его структуре идентичны вертикальным и другим жилам.

Все это указывает на образование метасоматитов преимущественно уже в твердой породе на поздних стадиях преобразования, чаще всего в катагенезе, а также, вероятно, в метагенезе.

Элювиальные способы

Имеют ограниченное распространение. В настоящее время известны следующие способы:

а) Кремневые панцири (силькреты, кремневые кирасы) массивны, часто брекчированы, с пятнистой окраской, с вертикальными линиями раздела или с неясной слоистостью, халцедоновые и кварцевые, редко опаловые, мощностью до 1-2 м. Распространены в пустынях и полупустынях, являются аналогами известковых (каличе, калькреты) и железистых (феррикреты) панцирей. Образуются в результате подъема к поверхности Земли капиллярной воды при дневном нагревании песков, при этом кремнезем выпадает из испаряющегося раствора в виде тончайшей пленки.

б) Кремни пересыхающих щелочных озер - развиваются по натриевому силикату, он выщелачивается и образуются пластовые и конкреционные кремни.

в) Вулкано-элювиальные кремни образуются при пропарке фумаролами и гидротермами вулканических и осадочных пород вулканической постройки. Многие компоненты выносятся гидротермами, а оставшиеся на месте образуют вулканический элювий.

Теоретическое и практическое значение силицитов

1. Это важный и четкий документ палеогеграфических и палеотектонических обстановок осадконакопления. По ним восстанавливают значительные глубины бассейна, небольшие скорости осадконакопления, окислительный или восстановительный характер осадков (по примесям), а по заключенным органическим остаткам - температуру, гидродинамику и другие параметры бассейна. Силициты в целом указывают на отсутствие терригенного сноса - из-за пассивного тектонического режима, аридности климата или отдаленности от суши.

2. В историко-геологическом плане силициты должны учитываться при восстановлении процессов преобразования океанической коры (мафической) в континентальную (сиалическую). Дефицит кремнезема в основных вулканитах компенсируется его высоким содержанием в кремневых формациях, так что при денудации таких комплексов и смешении на путях переноса возникают более однородные и более кислые массы отложений, подготовленных для гранитообразования.

3. Пачки силицитов важны и для стратиграфии: они легко узнаваемы, распространены на больших площадях, содержат биоскелеты. По ним восстанавливаются эпохи корообразования на суше и связанные с ними полезные ископаемые.

Практическое значение

Опалиты

1. Сами являются полезными ископаемыми.

2. Вмещают полезные ископаемые.

3. Легкие наполнители в бумажной и резиновой промышленности.

4. Теплоизоляторы, фильтры, тонкие абразивы, полировальный материал, сырье для производства ценного гидравлического бетона.

5. Коллекторы нефти и газа (из-за пористости и трещиноватости).

6. Кислотоупоры.

Халцедонолиты

1. Шары в камнеистирающих машинах, лабораторные ступки, поделки, яшма - декоративный материал.

2. К ним приурочены месторождения железа (джеспилиты в докембрии), марганца (яшмы и кремни девона Урала), фосфориты, полиметаллы, к фтанитам - золото.

Дата добавления: 2015-09-30