Происхождение кремней
Существует обширная литература о кремнях. Предложены различные теории для объяснения происхождения этих отложений. Согласно первой концепции, кремнезем образовался в процессе осадконакопления; другая точка зрения объясняет появление кремнезема в результате постседиментационного замещения вмещающей породы, как правило известняка. Существуют различные модификации каждой из этих теорий (рис. 11-11).
Хотя единого мнения по вопросу о кремнях не существует, мнение большинства склоняется к происхождению желваковых кремней и флинтов, присутствующих в известняках и других карбонатных породах, путем замещения. Несколько авторов, особенно Tapp и некоторые другие, решительно отстаивают точку зрения, согласно которой желваковые кремни образованы в результате прямого осаждения массы силикагеля на морское дно. Доказательств замещения (и, следовательно, постседиментационного происхождения) желвакового кремня много, и они очевидны. Ван-Туйл и Биггс обобщили доказательства по этому вопросу. Происхождение путем замещения подтверждают следующие факты: 1) залегание кремня вдоль трещин в известняке; 2) весьма негладкая форма некоторых кремневых желваков; 3) присутствие извилистых пятен известняка внутри некоторых желваков; 4) ассоциация окремнелых окаменелостей и кремней в некоторых известняках; 5) присутствие замещенных окаменелостей (см. рис. 11-8); 6) сохранность структур и текстур (особенно напластования) в некоторых кремнях; 7) отсутствие связи распределения некоторых кремней с зональностью известняков в карбонатных формациях и 8) наличие окремнелых оолитов, образованных замещением известковых оолитов.
Более важным, вероятно, является не критерий замещения, а время образования. Прожилки кремня позволяют отнести его образование к периоду после консолидации вмещающей породы. Прожилки кремня встречаются довольно редко, и Твенхофел совершенно прав, ссылаясь на этот факт как на доказательство, что кремень не всегда отлагается из циркуляционных вод. Факт, что некоторые кремневые желваки имеют стилолитовый контакт с соседним известняком, принимается за доказательство эпигенетического происхождения путем замещения, хотя такие же контакты между пропластками кремня и сидеритом не интерпретировались подобным образом.
Различные геохимические соображения делают маловероятным осаждение силикагеля из обычных морских вод. При 25°С аморфный кремнезем растворим до концентрации 100—140 мгм/л, а поскольку морская вода содержит только около 4 мгм/л кремнезема, то маловероятно, что силикагель осаждался из нее. По-видимому, невысокая концентрация кремнезема в морской воде поддерживается извлечением его организмами — радиоляриями, диатомеями и кремневыми губками, так что более высокая концентрация, необходимая для осаждения, никогда не достигается. Можно предположить, что до появления этих осаждающих кремнезем организмов концентрация кремнезема в морской воде могла подниматься до уровня, при котором происходит осаждение. Ho, как показали результаты экспериментов, проведенных Гаррелсом и Маккензи, поступление глинистых минералов в морскую воду удаляет избыток кремнезема и, таким образом, его концентрация остается ниже уровня насыщения. С другой стороны, недавние исследования Югстера, Хея и др. показали, что желваковые (а также пластовые) кремни могут образоваться при выщелачивании натриевых силикатных гелей, осажденных в богатых кремнеземом щелочных озерах. Однако в целом происхождение кремневых желваков в результате замещения карбонатных вмещающих пород подтверждается многочисленными наблюдениями как полевыми, так и под микроскопом. Определенно решетчатые двух- и трехмерные сетки, образуемые некоторыми кремнями в известняках, трудно объяснить чем-нибудь другим, кроме замещения.
Источник кремнезема и механизм образования желваков менее ясны. Основная проблема заключается в том, чтобы установить, был ли замещающий кремнезем привнесен извне или заимствован из вмещающего пласта? Предполагается, что кремнезем осаждался одновременно с отложением известняка, предположительно за счет радиолярий, диатомей и губок, а затем через некоторое время растворялся и переосаждался в виде желваковых стяжений, замещающих матрикс, в котором они заключены. Следовательно, кремнезем, необходимый для образования желваков, выделяется из морской воды в результате обычных широко распространенных биохимических процессов. Нет необходимости в привлечении каких-то особых источников кремнезема, аномальных концентраций или особых условий осаждения. С учетом теоретического обоснования, данного Рамбергом, по поводу того, почему должно происходить растворение и переосаждение рассеянного кремнезема, идея о диагенетической дифференциации яляется наиболее правдоподобным объяснением появления желваковых кремней в известняках. Большая подверженность замещению некоторых пластов может объяснить концентрацию желваков в определенных слоях; более легкое замещение, в направлении параллельном напластованию, объясняет удлинение желваков по этим плоскостям. Полевые данные также поддерживают эту концепцию. Лоуэнстем отмечал определенную связь между типом кремня и сохранностью и распределением кремнистых губок в ниагарских (силур) доломитах в Иллинойсе. Он пришел к выводу, что кремнезем кремней образовался из губок; это заключение ранее было сделано относительно некоторых палестинских кремней и поддержано исследованиями Миддлтона.
Если эти идеи верны, то возникает вопрос: в какое время образовались кремни, в процессе раннего диагенеза, или позже, после отвердения и воздымания? Петрографические данные свидетельствуют о том, что образование кремней происходило вслед за доломитизацией. Высказано предположение, что желваковые кремни являются продуктом окремнения, сопровождавшего процесс выветривания. Ho стратиграфическая непрерывность большинства кремневых зон и специфический характер кремней различных пластов указывают на отсутствие связи кремней с современной дневной поверхностью (в большинстве случаев нет связи и с древней поверхностью, фиксируемой по несогласиям) и, наоборот, свидетельствуют о связи с седиментацией вмещающей породы. На основании лучшей сохранности окаменелостей внутри кремней предполагается, что стяжения сформировались достаточно рано, до того как окаменелости могли быть раздавлены под воздействием геостатического давления.
Происхождение горизонтально-слоистых кремней в темных кремнистых сланцах, является спорным вопросом; было выдвинуто много теорий для объяснения этих отложений. Некоторые исследователи, отмечая, что кремневые желваки замещают вмещающие известняки, считают, что пластовые кремни образуются, в результате распространения процесса замещения на всю породу. Например, Логан и Чейз полагают, что кремни Кумбердал в Западной Австралии мощностью свыше 1000 м образовались в результате окремнения известняка. Для процесса окремнения такого крупного масштаба необходимо поступление кремнезема извне; ясно, что перераспределение кремнезема, первоначально присутствовавшего в известняках, не может служить удовлетворительным объяснением.
Другие исследователи рассматривают пластовые кремни как уплотненные и затвердевшие кремнистые биолиты, т. е. литифицированные радиоляриевые илы, подобные тем, которые обнаруживаются в настоящее время на глубоководном морском дне. Поскольку организмы в настоящее время образуют чистые кремнистые отложения, то логика единства процессов требует присутствия таких отложений или их литифицированных эквивалентов в древних геологических разрезах. Так объяснялось происхождение, например, юрских кремней на о. Калимантан, которые имеют мощность 152 м и занимают площадь более 40 000 км2, каменноугольных кремней хребта Индепенденс в Неваде и почти всех радиоляриевых кремней.
Многие исследователи, изучающие пластовые кремни, особенно докембрийского возраста, отвергают как идею о крупномасштабном окремнении известняков, так и теорию биохимического происхождения этих отложений; они связывают пластовые кремни с прямым осаждением кремнезема. Отсутствие современных отложений, имеющих такую природу, и геохимические соображения делают маловероятным осаждение кремнезема в открытых морских водах; некоторые исследователи пытаются найти другие решения проблемы кремней. Частичным ответом, по-видимому, является та идея, что, хотя сами кремни не являются первично осажденными, они образуются путем выщелачивания натриевых силикатных гелей, выпавших в осадок в некоторых пересыхающих щелочных озерах. Такое объяснение происхождения кремней было предложено для кремневых эоценовых отложений Грин-Ривер и для кремней докембрийских железосодержащих формаций.
Очень убедительны доказательства окремнения известняка. Логан и Чейз наблюдали переход доломитовых известняков в кремни: присутствие окремнелых окаменелостей и оолитов, которые, по всей вероятности, первоначально были известковыми, реликтовых включений карбонатов в кремнях; псевдоморфное замещение кремнем доломита и обрастание некоторых обломочных зерен кварца. Постепенное окремнение известняка хорошо показано в работе Макки, изучившего известняк Редуолл мощностью 21—37 м в штате Аризона. Процесс окремнения можно проследить, начиная от известняка с редкими неправильными линзами и желваками кремня, через кремни с трехмерной решеткой и до кремней с реликтовыми включениями или линзами известняка. Кремни содержат окаменелости в изобилии. В известняках их нет. Предполагается, что замещение кремнем происходило на ранних этапах диагенеза, перед доломитизацией. Вполне возможно что платформенные кремни, т. е. тесно связанные с мелководными известняками и чистыми кварцевыми песками, являются конечным продуктом процесса окремнения. Равномерное напластование, ритмичное строение и отсутствие признаков замещения в геосинклинальных кремнях делают гипотезу метасоматического происхождения этих отложений несостоятельной.
Поскольку во многих кремнях обнаружены остатки радиолярий, диатомей и спикул кремневых губок, а в некоторых кремнях эти окаменелости представлены в большом количестве, не является неожиданным вывод, что эти организмы ответственны за образование кремня. Хотя морская вода содержит только 4 мгм/л кремнезема, организмы способны извлекать этот материал и во многих местах образовывать обширные отложения почти чистого кремнезема. В современных условиях эти отложения ограничены участками, куда практически не поступает материал, сносимый с суши, и которые имеют слишком большую глубину для отложений известковых осадков, т. е. глубже уровня компенсации карбоната кальция. Многие исследователи пластовых кремней считают их литифицированными окремнелыми биолитами. Некоторые кремни формации Фосфория (пермь) в штате Монтана объяснялись «...скоплением и диагенетическим преобразованием спикул губок и других кремнистых остатков...». Брамлетт считал, что пластовые кремни Монтерей (миоцен) в Калифорнии (см. рис. 11-10) были образованы путем добавления кремнезема к диатомовому илу. В большинстве случаев этот добавлявшийся кремнезем образовывался из того же диатомового материала на ранней стадии образования породы. Поэтому кремни Монтерей являются продуктом диагенетического преобразования кремнезема в диатомовом иле. Ритмическое переслаивание — особенность, унаследованная от неизмененного диатомита и диатомовых сланцев. Если взять в равных пропорциях чистый кремнезем и средний диатомовый сланец, то образующаяся порода будет иметь состав, очень близкий к составу ассоциирующих пластовых кремней. Идея о том, что пластовые кремни являются эквивалентом радиоляриевых илов, была привлечена для объяснения происхождения юрских радиоляриевых кремней на о. Калимантан. в Альпах и в других местах. Однако многие авторы рассматривают радиолярии в этих кремнях как случайные включения, особенно в тех кремнях, где их остатки встречаются редко, и считают их второстепенными компонентами, не связанными с происхождением кремней- Следовательно, многие авторы связывают пластовые кремни с прямым химическим осаждением кремнезема. Как отмечал Джеймс, в некоторых местах кремневые слои включены в структуры обрушения и во внутриформационные брекчии; в этом случае кремни должны иметь преимущественно конседиментационное происхождение, т.е. возникнуть до литификации.
Если пластовые кремни сложены первично осажденным кремнеземом, то уместно выяснить условия, допускающие их формирование. Кремнезем выносится в моря водами рек, и, хотя они содержат больше кремнезема, чем морская вода, концентрация кремнезема не очень высока. Корренс констатировал, что концентрация кремнезема, существенно большая, чем в современных породах, не может обеспечиваться никаким из известных агентов и поэтому кремнезем кремней должен осаждаться биохимическим путем. Чтобы избежать этой трудности, другие авторы прибегают к вулканизму как источнику поступления кремнезема и доведения концентрации этого материала до уровня, при котором возможно неорганическое осаждение. Несмотря на то что некоторым кремням сопутствуют продукты подводных излияний (зеленокаменные породы и туфы), многие не образуют ассоциации ни с вулканическими потоками, ни с отложениями пеплопадов. При отсутствии такой ассоциации вулканизм нельзя рассматривать как источник кремнезема.
Если воды океана значительно недонасыщены аморфным кремнеземом, то, по-видимому, этот материал не может осаждаться в обычных морских условиях. И, действительно, в настоящее время такое осаждение не наблюдается нигде. Следовательно, необходимо предполагать, что в прошлом моря имели другой состав или что обстановка осаждения не была обстановкой открытого моря и что бассейны накопления были ограничены и имели резко различающийся химический состав вод. Сивер предположил, что биохимическое осаждение удерживало содержание кремнезема в открытых океанах на его современном низком уровне по меньшей мере с кембрийского периода. Поэтому мы должны допускать аномальные притоки кремнезема или особые условия для осаждения кремнезема. Необходимые условия ускользали от внимания седиментологов вплоть до Югстера, заметившего, что кремень образуется при выщелачивании предшественника натриевого силиката, например магадиита — NaSi7O13(OH)3*3H2O — который был осажден из щелочных вод оз. Магади, пересыхающего озера в Восточной Африке. Превращение магадиита в кремень происходит довольно быстро, так что раннеплейстоценовые отложения оз. Магади содержат большое количество желваковых и пластовых кремней. Наблюдения Югстера были подтверждены работами Хея и др. Насколько общим является этот механизм образования кремней и как широко его можно применять к пластовым кремням древных геологических разрезов? Кремни типа Магади были обнаружены в породах юрского возраста. Они в изобилии встречаются в формации Грин-Ривер (эоцен) в Вайоминге; Югстер и Чау предположили, что кремни докембрийских железорудных формаций могли образовываться этим же способом.
Мало вероятно, что данный механизм образования кремней можно применить ко всем пластовым кремням. Глубина воды при отложении кремней типа Магади очень незначительна. Некоторые, сопутствующие кремням горизонты представлены растрескавшимся илом, что свидетельствует о выходе на поверхность. С другой стороны, «геосинклинальные» кремни считаются предположительно абиссальными. На основе палеонтологических данных предполагается, что радиоляриевые породы Норманскилл и Дипкилл (ордовик) в штате Нью-Йорк отложились на глубине 3660 м. Подобная точка зрения была высказана по поводу альпийских кремней. С другой стороны, Девис и Талья-ферро предположили, что францисканские (юрские?) кремни в Калифорнии накапливались в мелководье; это предположение основано главным образом на их тесной связи с грубозернистыми песчаниками, которые, однако, в настоящее время интерпретируются как турбидиты. Отложение таких грубообломочных осадков даже на абиссальных глубинах уже было установлено, поэтому излишне привлекать гипотезу мелководного происхождения или предлагать частые и радикальные изменения глубины моря для разрезов, содержащих как пластовые кремни, так и песчаники. Часто встречающаяся ассоциация пиритовых черных глинистых сланцев с геосинклинальными пластовыми кремнями дает основание предполагать, что они образовались в ограниченном бассейне. Этот бассейн имеет все свойства «угнетенного» бассейна, т. е такого бассейна, в который практически не поступал кластический материал и который был слишком глубоким или имел какие-либо другие неблагоприятные условия для развития нормальных бентосных организмов и такой низкий pH, что планктонные известковые остатки растворились. Это объяснение подтверждается современными исследованиями океанов, благодаря которым обнаружены кремни в глубоководных отложениях. В таких условиях осадконакопление происходит чрезвычайно медленно и сводится к накоплению тонколистоватых черных сланцев и соединений железа, фосфора и кремня.
После отложения кремнезем (опаловые обломки организмов) претерпевают диагенетические изменения. Опал превращается в халцедон и микрокристаллический кварц. Рассеянный в известняках кремнезем сегрегируется в обычные кремневые желваки. Отложившийся таким образом в иле материал может образовывать слои. Такая предполагаемая диагенетическая дифференциация заложена в интерпретации ритмического напластования калифорнийских кремней, данной Девисом. Другие объясняют ритмическое напластование в результате сезонного отложения осадков. В условиях щелочных озер диагенетические изменения приводят к образованию кремней путем выщелачивания первично осажденного магадиита.
В заключение можно сказать, что кремни, как желваковые, так и пластовые, являются полигенной породой и что нет единого способа происхождения кремней. В свете геологических данных и с учетом того, что известно о современных скоплениях кремнезема, становится ясно, что в одних случаях кремни являются продуктом замещения (окремнелые известняки), в других — биохимическими скоплениями (в угнетенных бассейнах на глубине ниже уровня карбонатной компенсации), а иногда — продуктом пересыхания щелочных озер, богатых кремнеземом. Нет сомнения в том, что пластовые кремни в геологическом прошлом отлагались одним из перечисленных или весьма похожим способом Платформенные кремни, по-видимому, являются продуктом окремнения; геосинклинальные кремни — это абиссальные биохимические скопления. Кремни щелочных озер, вероятно, распространены более широко, чем считалось до сих пор. He всегда ясно, с какими условиями связано образование кремней в каждом отдельном случае, поскольку еще не до конца изучены критерии, позволяющие их различать. Например, новакулиты Арканзаса обнаруживают некоторые особенности обстановки щелочных озер; то же можно сказать и о докембрийских кремнях железистых формаций.