Нахождение вязких гелей кремнезема во вмещающей породе также выглядит проблематично. Предположение Бланкенбурга и Бергера (1988), что кремневые ксенолиты могут пережить испытание захоронением, плавлением окружающей породы и извержением без того, чтобы раствориться или как-то иначе разрушиться, выглядит физически неправдоподобным. Если кремнезем не оказался первоначально во вмещающей породе, то должен быть привнесен. Однако, как правило, узкие проточные каналы во вмещающей породе очевидно помешали бы течению густого геля в открытые газовые полости. К тому же пустоты, уже заполненные кремнеземом, должны стать физическим барьером к следующим вторжениям вязких жидкостей, но агаты, обладающие повторной полосчатостью халцедона и друзового кварца, вполне обычны.
К тому же кремнеземные гели обычно не превращаются непосредственно в халцедон. Многочисленные исследования диагенеза абиссальных морских илов (см. Уильямс и др., 1985) показывают, что последовательность кристаллизации включает промежуточный опал-А и опал-СТ. Эти кремнеземные фазы не наблюдаются в радиально-волокнистом халцедоне даже на микроскопическом уровне (Новак, 1947; Миджли, 1951; Фрондел, 1962). Опаловые фазы можно наблюдать в слоях оникса (Греч и др., 1985), но этот минерал - равномернозернистый кварц, а не радиально-волокнистый. Более того, преобладающие экспериментальные данные указывают, что диагенез опала-СТ в халцедон - это не переход твердое-твердое; вместо этого он, кажется, включает растворение кристобалита и повторное осаждение халцедона (Мизутани, 1966; Стейн и Киркпатрик, 1976; Уильямс и Крерар, 1985; Кейди и Уенк, 1989).
Структурные различия халцедона и кварца.
Предыдущий обзор полевых и экспериментальных результатов предполагает, что по крайней мере в некоторых случаях халцедон образуется из невязких жидкостей при относительно низких температурах. Однако противоречий в интерпретации достаточно, и их можно отнести за счет скудости прямых свидетельств о кристаллизации халцедона. С помощь последних исследований микроструктурных расхождений между идеальным кварцем и халцедоном получены дополнительные ограничения и может быть предложена модель образования халцедона, не противоречащая предыдущим исследованиям.
Опыты по порошковым рентгенодифрактограммам, выполненные раннее в этом столетии, наводят на мысль о структурной идентичности халцедона с а-кварцем (Уошберн и Навиас, 1922; Новак, 1947), а ведущие ученые принимают различия между кварцем и халцедоном как в основном текстурные. Однако последние исследования инфракрасных спектров (Фрондел, 1982; Греч и др., 1985), рентгеновской диффракции (Греч и др., 1987; Хини и Пост, 1992) и электронной микроскопии в проходящем свете (Мие и др., 1984; Хини и др. в печ.) показали характеристики состава а структуры, которые отличают халцедон от макрокристаллического кварца. Эти отличия заключаются в следующем:
1. Халцедон содержит 1-2 вес. % воды. Из этого количества Флёрке и др.(1982) примерно половину относят к молекупярной воде интерстиций, а половину - к структурным силанол-группам SiОН.
2. Волкна халцедона обнаруживают волнистость с периодом около 1 мкм. вдоль волокна. Фрондел(1982) полагает, что эта волнистость есть перемежающиеся зоны высокого и низкого содержания гидроксила.
З. Волокна удлинены вдоль[110], тогда как призматический кварц растет параллельно(Мишель-Леви и Мюнье-Шальма,1892; Фрондел,(1978).
4. Волокна халцедона скручены вокруг оси волокна (Мишепь-Леви и Мюнье-Шальма, 1892; Фрондел, 1978). Совместный поворот вокруг оптической оси "с" вдоль направления волокна имеет результатом волнистое погасание, если смотреть со скрещенными николями в петрографический микроскоп.
5. Волокна халцедна содержат очень высокую плотность плоскостных дефектов, параллельных [101] и, возможно, [011]. Эти плоскости дефектов отделяют плиточки левых и правых индивидов толщиной 1ООА в бразильском двойниковании.
6. Халцедон тесно срастается с другой фазой микрокристаллического кремнезема - моганитом (Греч и др., 1987; Хини и Пост, 1992). Моганит можно представить как производное кварца, где ламели правого кварца перемежаются с ламелями левого на уровне элементарной ячейки. Эти ламели ограничены [101], и в отличие от бразильских двойниковых дефектов, описанных выше, колебания строго периодичны (Мие и Греч, 1992).
7. Кристаллы халцедона обладают сверхструктурами, соответствующими 3-, 4- и 5- кратным первичным трансляциям а-кварца (Хини и др. в печ.). Хини и др. предполагают, что эти сверхпериодичности возникают от местного размещения структурного водорода.
Вероятно, как следствие всех этих или некоторых различий н наблюдаются поразительные несоответствия в физических свойствах халцедона и сплошного кварца. Например, показатели преломления ниже, чем у кварца, и халцедон может выглядеть двуосным (Мишель-Леви и Мюнье-Шальма 1892; Фрондел 1962). Халцедон более растворим в воде, чем кварц (Фурнье и Роу, 1966; Уолтер и Хелджсон, 1977), он более энергично реагирует в присутствии щелочных жидкостей (Бин и Трегонинг, 1944; Пелто, 1956). Наконец, сингония халцедона кажется не тригональной, а моноклинной или триклинной (Хини и др. в печ.).
Предполагаемый спиральный механизм роста халцедона.
Структурный анализ дефектов, характеризующих волокннстый кремнезем, наводит на мысль, что халцедон растет по механизму спирального роста, запускаемому винтовой дислокацией с вектором Бюргерса b=n/2[110], где n - целое. При этом винтовые дислокации создают в кристаллах постоянный выступ для присоединения растворенного вещества растущей гранью; как следствие, слиральный рост обеспечивает кинетически предпочтительный механизм для роста кристалла из растворов при низких пересыщениях (Франк, 1949; Верма и Кришна, 1966). Этот относительно простой механизм роста успешно объясняет ряд дефеКтОВ, свойственных халцедону.
Направление удлинения.
Совершенно очевидно, что модель объясняет необычное направление удлинения волокок халцедона. Теория цепей из периодических узлов предсказывает, что кварц должен быть удлинен по [001] в соответствии с прочной спиральной цепью из тетраэдров, параллельной "с" (Хартман, 1959). Однако спиральный механизм роста диктует рост кристалла параллельно направлению вектора Бюргерса, производя посредством этого вискеры или волокна. Таким образом, вектор Бюргерса n/2[110] в халцедоне дает волокна, удлиненные по [110].
Сручивание волокон.
Органические сферолиты обычно показывают в поляризованном свете волнистое погасание, очень похожее на Runzelbanderung халцедона. В обоих веществах такое оптическое поведение является следствием регулярного cкручивания вокруг оси волокна. В органических сферолитах причиной скручивания считают винтовые дислокации (Боуи, 1979; Янг, 1981), и весьма похоже, что это вероятная причина скручивания волокон халдедона (Фрондал, 1978). Скручивание возникает из-за поля скручивающих напряжений, связанного с винтовой дплокацией (Эшелби, 1953; Веблен и Пост, 1983), а степень скручивания - функция как величины вектора Бюргерса, так и плотности дислокаций. Стало быть, этот механизм может легко объяснить широкие вариации (от 20 мкм до 300 см), наблюдаемые в периодах скручивания халцедона. Наоборот, предположение Ванга и Мерино (1990), что скручивание вызывает Аl, не имеет очевидного структурного обоснования и не объясняет, почему не скручены многие кристаллы дымчатого кварца, содержащие повышенные количества Аl.
Бразильское двойникование и врастание моганита.
При рассмотрении проекций вдоль оси "с" энантиоморфных бразильских двойников а-кварца, кроме цепей тетраэдров, завивающихся вокруг оси "с", эти структуры содержат цепочки тетраздров, тянущиеся параллельно [110], и два направления, связанные с [110] винтОвой симметрией, а именно [-100] и [0-10]. Цепочки вдоль [110] состоят попеременно из тетраэдров с атомами кремния с z= 1/3 и z= 2/3. Эти цепочки почти линейны, а тетраэдры в цепочках попеременно направлены вниз и вверх. Когда такие цепи связаны непосредственно друг с другом, они образуют листы тетраэдров, которые заключают в себе структуры тридимита и кристобалита. Однако в кварце цепи тетраэдров, параллельные [110], связаны через мостиковые тетраэдры. Многие предыдущие исследования описывали поверхность двойникования в бразильских двойниках кварца (Макларен и Фэки, 1966; Ван Готем и др. 1977; Макларен Питкетли, 1982). Эти модели обращают на себя внимание тем, что трансляцией одного двойникового домена на (+-)1/2[110] может быть достигнуто лишь почти точное совпадение между левым и правым кварцами. Эта операция приводит кислородньй каркас обеих энантиоморфных разновидностей в довольно хорошее соответствие. Аналогично, вектор сдвига (+-)[110] сместит атомы кремния при z= 1/3 и z= 2/3 в пределах цепей тетраэдров по [110]. Однако атомы кремния в мостиковых тетраэдрах (при z = 0) не совпадут.
В свете этой модели для границы бразильских двойников высокие плотности бразильских двойников, характерные для халцедона, могут быть приписаны винтовым дислокациям с b=n/2[110]. Если n нечетное, то механизм спирального роста будет накладывать друг на друга ломти противоположной формы и создавать границу бразильского двойникования. Если n четное, то энантиоформа не изменится. Если n случайным образом меняется от четных к нечетным, то осаждающяйся халцедон будет состоять из случайно перемежающихся слоев левого я правого кварца. Если n постоянно нечетное, то механизм спирального роста создаст надструктуру, где слои левого и правого кварца чередуются со строгой периодичностью на уровне элементарной ячейки. Поучающаяся структура соответствует моганиту.