Предполагаемый механизм роста халцедона
PeterJ. Heaney, Принстонский Университет.)
Резюме.
Структурные различия, отличающие халцедон от макрокристаллического кварца, предполагают, что во время роста этих двух форм кремнезёма действовали разные механизмы кристаллизации. Хотя парагенезис халцедона вызвал отчетливые расхождения исследователей, обзор прежних работ наводит на мысль, что халцедон может осаждаться из слабо насыщенныых растворов при относительно низких температурах (менее 100/С).Эти условия отложения предполагают модель кристаллизации с участием сборки короткоцепных линейных полимеров через мостиковые мономеры кремнезема. Эта сборка происходит по механизму спирального роста, активированного винтовой дислокацией с b=n/2[110], где n - целое число. Предполагаемая модель может объяснить многие особенности халцедона, наблюдаемые на макроструктурном уровне, как то: 1) направление удлинения волокон скорее по[110], чем по[001]; 2) периодическое скручивание волокон халцедона вокруг[110]; 3) высокая плотность двойникования по бразильскому закону; 4) обычное срастание моганита с халцедоном.
Введение.
Из-за широкого распространения в близповерхностных породах халцедон оказался важным индикатором ряда геологических процессов. Fournier(1977) и Аrnorrson(1977) установили, что халцедон - геотермометр для гидротермальных растворов, а Gislason et al.(в печати) исследовали халцедон как модель соотношений между растворимостью и размерам частиц. С некоторыми ограничениями, седиментологи установили, что lenght-slow халцедон может быть свидетельством об исчезнувших эвапоритах (Folk and Pittman, 1971; Hatter, 1989). Агаты могут состоять частично или целиком из халцедона, и теории образования агата предложены во множестве статей в профессиональных и любительских журналах. В последние годы агат привлек внимание как возможное проявление процессов самоорганизации в геологических объектах (Wang A. Merino, 1990).
Факторы, ведущие к осаждению кремнезема в микроструктурной волокнистой форме, понимаются недостаточно, частично как следствие ее природного изобилия. Халцедон растет в газовых пузырях как в кислых, так и в основных извержениях; он заполняет швы и пустоты в интрузивных и метаморфических породах; и замещает предшествующие минералы в осадочных породах. Это разнообразие условий роста почти не ограничивает его парагенезис. Аналогично, попытки синтезировать халцедон оказались успешными многими различными путями. Среди предтеч искусственно полученного сферолитового кремнезема - природный обсидиан (см. Frondel, 1962), трубы из кремнеземного стекла (White and Corvin, 1961), силикагель (Оehler, 1976) и опал-А (см. обзор о парагенезисе опала Williаms et аI., 1985.).
Большинство исследований происхождения халцедона сосредоточено на температуре кристаллизации и химии осаждающей жидкости. Поскольку полевые работы и экспериментальные синтезы не полностью решили эту проблему, данная статья подходит к образованию халцедона почти исключительно в структурной перспективе. Последние исследования халцедона с использованием порошковой рентгенодиффракции и ТЕМ (Graetstch et al, 1987; Неаney а. Роst, 1992; Hеапеу еt аl. в печати) обнаружили разнообразие и плотность дефектов, необычные для идеального а-кварца. Эти дефекты можно интерпретировать как скрученные структурные состояния - последствия быстрого роста. Как таковые, они могут строго ограничивать механизм образования халцедона, и по ним можно предположить характер предшествующей жидкости.
Номенклатура кремнезема.
Халцедон - название разновидности, которое в прошлом употреблялось довольно свободно,но в данной статье термин относится только к микрокристаллическому (менее 1 мкм) волокнистому кремнезему, следуя классификации ger.Florke et al. (1991). Так как агат состоит в основном из концентрически-зонального сферолитового волокнистого кварца, он считается подразновидностью халцедона. В отличие от него, кремень - равномернозернистая форма микрокристаллического кварца, и опал содержат разные количества аморфного кремнезема, тридимит и кристобалит. Следовательно, кремень и опал - другие разновидности кремнезема.
Облики кремпезема полностью описаны Фронделом(1962). Не-агатовый халцедон - почковидный или сталактитоподобный, с восковым просвечиванием, мало или совсем не пигментированный. В агатах же текстуры могут быть крайне сложными. Агаты обычно встречаются в виде круглых или миндалевидных жеод в газовых пузырях в вулканической вмещающей породе, и в поперечном разрезе обнаруживают концентрическую кристаллическую текстуру. Хотя агаты впечатляют текстурным разнообразием, последовательность кристаллизации обычно выражается следующим образом: сферолиты халцедона зарождаются в отдельных точках вдоль стенки пустоты, и микрокристаллические волокна тянутся к центру пузыря. При росте эти сферолиты соединяются, образуя единый слой, параллельный стенке пустоты; такой тип халцедона известен как выстилающий. За этими слоями радиально-волокиистого кремнезема может следовать мелкозернистый кварц (менее 1 мкм, собранный в горизонтальные слои, известный в народе как оникс. И выстилающий халцедон, и горизонтальный кварц могут быть сильно пигментированы такими оксидами, как гематит и пиролюзит. Наконец, выстилающий халцедон и горизонтальный кварц часто уступают грубозернистому друзовому кварцу. Эта последовательность текстур может повторяться в одной жеоде несколько раз, и люобая из них может отсутствовать в данной последовательности. Однако почти у всех агатов один общий признак: когда присутствуют и волокнистый, и друзовый кварц, волокнистый почти всегда обволакивает друзовый (Сунагава и Охта, 1976; Макферсон, 1989).
Происхождение халцедона: предыдущая работа.
Дискуссии об отложениях халцедона обычно фокусировалась на двух связанных между собой вопросах:
1) При какой температуре образуется природный халцедон?
2) Каков химизм предшествующей жидкости?
Температура осаждения.
Доводы в пользу относительно высоких температур кристаллизации халцедона обычно исходят из допущения, что растворы, из которых осаждается халцедон, возникают во время отделения летучих из глубоких магм (Супагава и Охта, 1976;Флёрке и др., 1982; Бурхардт, 1986). Считается, что эти растворы текут импульсами, как гейзеры, и отлагают халцедон равномерными слоями внутри газовых пузырей в ответ на падение давления при поступлении растворов в открытые полости. Из этой гипотезы следует, что повторное отложение, характерное для выстилающего халцедона, происходит от гидроротермальной пульсации. В подтверждение высоких температур приводятся эксперементальные синтезы халцедона: Уайт и Корвин (1961) при 400гр. и 340бар; Олер (1976) - при 100 - 300гр.; Кастнер (1980) - при 150 - 240гр. Вдобавок Блакенбург и Бержкер (1981) предполагают температуры образованиия агатового халцедона выше 375гр, основываясь на геотермометре кристаллитного размера.
Наряду с этим можно отметить, что экспериментальные синтезы халдедона как правило выполняются при повышенных температурах для того, чтобы сократить длительность процесса. Таким образом, эксперименты не исключают возможности образования халцедона в более холодной обстановке. Изучение изотопов кислорода в юрских агатах из вулканитов Кару в Намибии (Харрис, 1989) указывает температуру отложения в пределах 26 - 169гр. Харрис (1989) оказывает предпочтение 120гр., но Сондерс (1990) считает, что более реальна для юрского периода температура З9 - 85гр. Повторный анализ этих данных и отсутствие буквального свидетельства кипения привело результаты Харриса в полное соответствие с исследованием Фаллика и др.(1985) стабильных изотопов, которое указывает для осаждения халцедона в шотландских агатах 50гр. из жидкости, по крайней мере частично состоящей из метеорной воды. Обычное нахождение халцедона с низкотемпературными глинами кажется говорит в пользу возможности осаждения халцедона при IООгр. или ниже. Хардер (1993) отмечает, что зеленая корка на многих агатах состоит из селадонита, глауконита и бертьерита, а Ингерсон (1953) описывает халцедоновые миндалины из третичных андезитов в тесной ассоциации с желваками, содержащими кальцит, сапоцит и монтмориллонит. Аналогично, халцедон в окремнелых миоценовых кораллах встречается с сингенетичным палыгорскитом (Стром и др., 1981).
Таким образом, хотя даже лабораторньне синтезы халцедона обычно проводились при температурах выше 15Огр., множество прямых аналитических данных указывает, что по крайней мере в некоторых случаях халцедон образуется из жидкостей, состоящих частично или главным образом из "метеорной воды".
Предшественник - гель или раствор?
Представление, что халцедону предшествует вязкиий гель кремнезема, предложено по крайней мере еще Лизегангом(1915), успешно имитировавшим в искусственных гелях цветную полосчатость, характерную для природных агатов. К тому же особенности, напоминающие деформацию мягкого тела, заставили многих ученых постулировать студневое происхождение халцедона. Так, луковицеобразные расширения, примыкающие к стенкам пустот (проводящие каналы) и "фортификационные структуры" были приписаны искривлениям пластичной среды (Шоуб, 1955; Ландмессер, 1988; Моксон, 1991). Более того, неправильные формы некоторых агатов и просвечивающие халцедоны толковались как свидетельства вязкого предшественника (Гарлик и Джонс, 1990). Халцедон был искусственно синтезирован из гелей и опалов (напр., Олер, 1976; Кастлер,1980), и хитроумная модель динамической кристаллизации халцедона заключает, что коллоид - предшественник агатовой жеоды - содержит 1г. SiО2 в куб.см. геля (Ванг и Мерино, 1990). При плотности кремнезема 2,2 г./кв.см. такой кремнеземный ком содержал бы 64,7 вес.% SiO2.
C другой стороны, многие наблюдения говорят против возможности коллоидного предшественника. Электронная микроскопия Ландмессера(1988) показала, что настоящие кольца Лизеганга в агатах очень редки. В самом деле, показательно, что Лизеганг смог воспроизвести агатовый рисунок в гелях кремнезема, но не в твердом кремнеземе. Целость полосчатости теряется во время высыхания (Фрондел, личн.сообщ.). Аналогично, узоры, наблюдаемые в проводящих каналах, не противоречат той роли, которая им приписывалась изначально как каналов для притока осаждающей жидкости. Обычно эти каналы повторяют в миниатюре всю последовательность агата, и слои, ближние к устьям, в двумерных срезах сужаются. Более того, многие исследователи показали, что зубчатые корки многих жеод типа цветной капусты - на самом деле псевдоморфозы по ангидриту (Чаунс и Элкинс, 1974; Миликен, 1979;Малиава,1987).