3.4.1. Источник и мобилизация кремнезема

Источником SiO₂ являются: суша (вынос растворенного кремнезема реками), магматические очаги и сами воды морей и океанов, содержащие огромные массы кремнезема, утратившего связь с первичными источниками.

Кремнезем, необходимый для формирования кремниевых пород и выносимый с суши, образуется, прежде всего, при процессах химического выветривания горных пород. В результате их разложения из минералов-силикатов мобилизуются соли разных кислот, содержащие одновалентные и двухвалентные металлы (калий, натрий, кальций, железо, магний и др.). Эти соли переходят в раствор. Освобождающийся кремнезем также переходит большей частью в состояние истинного (молекулярного) или коллоидного раствора.

Обычно, в первую стадию разложения силикатов и алюмосиликатов и, в частности, полевых шпатов, химическая связь между алюминием и кремнием еще сохраняется. При этом образуется каолин – водный силикат алюминия (Al₂O₃х2SiO₂х2H₂O), растворимые соли калия, натрия, кальция и выделяется избыточный кремнезем, переходящий в раствор:

Во вторую стадию разложения происходит дальнейшее разрушение каолина. Он распадается на водные окислы алюминия (диаспор, бёмит или гидраргиллит), остающиеся на месте, и свободный кремнезем, переходящий в раствор по реакции:

Вторая стадия разложения осуществляется в условиях жаркого и влажного климата, способствующих значительному ускорению химических реакций.

В условиях умеренного климата процессы разложения силикатов останавливаются обычно на первой стадии.

Аналогично полевым шпатам происходит разложение других алюмосиликатов: например, нефелина, лейцита, мусковита. Выделяющийся при этом свободный кремнезем переходит в раствор. При разложении темноцветных минералов, т.е. силикатов кальция, магния и железа, происходящих по-разному в окислительной и восстановительной обстановке, кремнезем, независимо от концентрации кислорода, всегда полностью переходит в раствор. Затем водными потоками кремнезем переносится в моря, океаны, озера.

Итак, большая часть кремнезема, необходимая для формирования кремниевых пород, образуется в современных условиях при химическом выветривании горных породи химическом разложении. В древние эпохи, возможно, значительная роль в мобилизации кремнезема принадлежала вулканическим извержениям. Сейчас же эта роль незначительна.

3.4.2. Транспортировка и накопление

Переход кремнезема в осадок возможен и биогенным, и хемобиогенным, и химическим способами.

Растворимость аморфной SiO₂ при обычной температуре – 100-140 мг/л, содержание в морской воде -- 0,1-10 мг/л, а в иловой воде концентрация SiO₂ повышаются в несколько раз. Однако, даже в случае высоких концентраций SiO₂ не достигает ее насыщение по отношению к аморфной фазе. Одни лишь гидроокислы некоторых металлов способны соосаждать кремнезем из разбавленных растворов. При этом образуются гидроокислы силикатов, диагенетическое преобразование которых позднее приводит к освобождению и кристаллизации SiO₂.

Исследования показали, что до массового расцвета диатомовых водорослей (середина мезозоя), сильнейших извлекателей SiO₂, содержание последнего в гидросфере было выше и, следовательно, легче создавались условия для хемогенного кремненакопления. Предполагают, что в прошлом моря имели другой химический состав вод. Большую роль, по-видимому тогда играл вулканизм, как источник поступления кремнезема и доведения его концентраций до уровня, при котором возможно было неорганическое хемогенное накопление кремнистых осадков.

Обстановки выпадения кремнезема в осадок и его накопления разнообразны. Это океаны, моря, озера. В каждой из них для образования высококремнистых накоплений необходимо не только поступление больших масс кремнезема в осадок, но и малое разбавление другими веществами. Особое значение имеет разделение кремнистого и карбонатного материала. Три причины этому способствуют: климатические условия, батиметрия и подводный вулканизм.

Океаны с их краевыми морями и заливами являются главной областью современного кремненакопления. Непосредственным источником SiO₂ являются сами воды океана. Высоко кремнистые осадки приурочены к трем широтным поясам: южному, северному и экваториальному. Всюду здесь кремненакопление связано с зонами высокой биологической продуктивности, что обусловлено подъемом глубинных вод, богатых питательными веществами.

На распределение кремнистых осадков влияет и батиметрия: выше уровня карбонатной компенсации высококремнистые осадки исчезают, уступая место известковым.

Отложение кремнезема происходит, в основном биогенным путем. При этом главное значение имеют диатомовые водоросли, образующие осадки во всех трех поясах. Второе место занимают радиоляриевые и радиоляриево-диатомовые илы, распространенные в экваториальном поясе. Меньшее значение имеют кремнегубковые осадки, развитые локально на шельфах.

Среди морских кремниевых пород различаются платформенные и геосинклинальные.

В платформенных бассейнах известно два главных ареала кремненакопления.

В мезо-кайнозойских морях кремнистые осадки отлагались в мелководной периферической зоне, окаймлявшей низменный континент и острова. К берегу они сменялись песками, а в глубь бассейна – либо глинистыми, либо известковыми осадками. В целом кремненакопление тяготело к северным участкам морей. Происхождение силицитов считается здесь биогенным, частично хемогенным.

В палеозое закономерности размещения платформенных кремниевых осадков были иными. Осадки обычно были приурочены к краевым частям платформ.

В геосинклиналях также известны две главные обстановки кремненакопления, соответствующие разным стадиям геосинклинального развития.

Во-первых, это бассейны, для которых характерны подводные излияния основных лав. Кремнистые породы и вулканогенные в таких бассейнах образуют парагенезис, известный в палеозойских и раннемезозойских геосинклиналях. Закономерности размещения здесь иные, чем среди современных кремниевых осадков. Они сосредоточены не в широтных поясах, а располагаются в соответствии с положением геосинклиналей, часто совпадая с меридиальными зонами (Уральская, Кордильерская, Аппалачская). Кремниевые породы представлены здесь радиоляритами, реже спонголитами, чередующимися с кремнистыми породами, не содержащими органических остатков. Формирование осадков происходило в глубоководных условиях. Вулканогенный источник кремнезема играл здесь, вероятно, существенную роль. Отложение кремниевых осадков происходило как биогенным, так и хемогенным путем.

Во-вторых, кремнистые осадки в большом количестве накапливались в бассейнах, расположенных рядом с островными вулканическими дугами, поставлявшими много пирокластического материала. Примерами являются мезозойские и третичные отложения Тихоокеанского обрамления. Кремнистые породы здесь чаще всего представлены диатомитами и продуктами их изменения, реже – радиоляритами. Они чередуются с туфами и сами часто обогащены пирокластическим материалом. Формирование осадков осуществлялось и в шельфовых, и в батиальных условиях. Источником кремнезема служили как морская вода, так и вулканогенные продукты – гидротермы и тонкий пирокластический материал [30, 35].

Озерные кремненакопления связаны, во-первых, с пресноводными водоемами послеледникового ландшафта, во-вторых, с озерами (запрудными, кальдерными) областей активного вулканизма, и в третьих, с солеными щелочными озерами. В первом случае формировались диатомиты, во втором и в третьем – кроме того, хемогенные кремнистые отложения.

Отложение и накопление кремниевого материала сопровождается формированием седиментационных органогенных и седиментационных хемогенных пород. Их положение на фациальном профиле показано на рис. 3.

Седиментационные органогенные породы образуются при обильном отмирании организмов, строящих кремнистый скелет, и накоплении их остатков. Среди них широко распространены: диатомиты, радиоляриты и спонголиты.

Диатомиты представляют собой породу, состоящую из остатков диатомовых водорослей (до -70-80 %), скорлупки которых сложены и сцементированы опалом. Возникают они в морских условиях за счет диатомовых водорослей, поглощающих кремнезем для своей жизнедеятельности из морской воды, и затем, после гибели, дающие органогенные осадки в виде скелетных опаловых остатков. В дальнейшем они превращаются в твердую породу – диатомит. Диатомиты могут формироваться аналогичным образом и в озерах.

Радиоляриты состоят из опала, в котором рассеяны многочисленные скелетные остатки радиолярий и в которых содержится примесь органического вещества и глинистых частиц. Формируются они в результате уплотнения глубоководного радиоляриевого ила.

Спонголиты – это породы, состоящие из спикул кремниевых губок, сцементированных опалом. Часто они содержат алевритовые и песчаные примеси и глауконит. В современных морских отложениях спонголиты образуются на глубинах 250-500 м. Осаждение кремнезема здесь – биогенное, сопровождаемое последующим уплотнением и преобразованием кремнистого детрита.

Седиментационные хемогенные кремнистые породы образуются из вод горячих источников – гейзеров и вулканов. Последние приурочены к вулканическим областям (например, на Камчатке и Исландии). Воды горячих источников и гейзеров часто насыщены и перенасыщены кремнеземом. На большой глубине в условиях высокой температуры и повышенного давления кремнезем находится в растворе, а когда вода выбрасывается на поверхность земли, в результате изменения давления и температуры кремнезем выпадает в осадок. Таким путем образуются кремнистые натеки и корки, а также кремнистые туфы и гейзериты.