Nawet największe kuliste grudki rosną w ciągu kilku dekad • Vladislav Strekopytov • Wiadomości naukowe na temat "Elements" • Mineralogia, Geochemia

Nawet największe kuliste guzki rosną w ciągu zaledwie kilku dekad.

Ryc. 1. Głazy Moeraki w Nowej Zelandii to gigantyczne grudki węglanowe powstałe około 50 milionów lat temu w osadach mułowych. Wyniki badań, które zostaną omówione poniżej, pokazują, że nawet tak wielkie guzki powstały bardzo szybko – w ciągu kilku dekad. Zdjęcie z komunikatu prasowego Uniwersytetu w Nagoi

W osadach morskich występują sferyczne bryły węglanowe – niesamowite okrągłe obiekty, osiągające czasem gigantyczne rozmiary (średnica ponad dwóch metrów). Pojawienie się tych niemal ideałów w formie i posiadanie wyraźnych granic formacji sugeruje, że mogły one zostać stworzone przez starożytne cywilizacje. W rzeczywistości jednak takie guzki są dość powszechnymi obiektami naturalnymi, a ogólny schemat formacji był w ogóle zrozumiały wcześniej. W ostatnich badaniach japońscy naukowcy byli w stanie zrozumieć szczegółowo proces powstawania guzków węglanowych, a co najważniejsze – określić szybkość, z jaką wzrastali.

Izolowane guzki – najczęściej sferyczne kruszywa mineralne – występują na całym świecie w morskich skałach osadowych ilastych w różnym wieku.Ciało guzka można złożyć różnymi minerałami: na przykład krzemowe, pirytowe, fosforytowe guzki. Guzki węglanowe są szeroko rozpowszechnione. Są bogato wzbogacone węglanem wapnia w porównaniu z otaczającymi skałami osadowymi i często zawierają dobrze zachowane skamieniałości wewnątrz. Proces powstawania takich guzków jest spowodowany dyfuzją i innymi szybkimi reakcjami obejmującymi rozpuszczalniki organiczne i inne składniki wody porowej (woda w porach jeszcze nie utwardzonego osadu), które występują równocześnie z osadzaniem się substancji na dnie morskim (to jest syngenetycznym). Przykłady dużych brył: słynne głazy Moeraki i inne kuliste głazy na wybrzeżu Nowej Zelandii, sferyczne kamienie wyspy Champ (archipelag lądu Franciszka Józefa), sferyczne grudki w Kalifornii na plaży z kulkami do kręgli (Bowling Balls Beach), w Kazachstanie (na półwyspie Mangyshlak i w Balkhash), nad rzeką Izma (dopływem Peczory) itp.

Guzki są kulistymi ciałami mineralnymi (chociaż czasem występują wydłużone i nieregularne guzki), najczęściej formowane w porowatych skałach osadowych.Tworzenie się guzków zachodzi albo w wyniku dyfuzji substancji chemicznych do starterów aktywujących ten proces z utworzeniem koloidalnej protokonkrecji w osadzie morza i jej późniejszej krystalizacji, albo przez wzrost mineralnych agregatów wokół jądra nasion (zwykle ma to miejsce, gdy w pustkach tworzą się guzki) .

Nasiona, inicjujące wokół odkładania się minerału, mogą być pozostałościami organicznymi, substancjami węglowymi lub nagromadzeniami minerałów o różnym składzie. Wewnątrz brodawki znajdują się skamieliny, na przykład muszle starożytnych mięczaków. Poza tym, że same powłoki węglanowe są gruntujące, szybkie tworzenie się guzków węglanowych następuje w tym przypadku z powodu rozkładu materii organicznej, co powoduje wzrost zasadowości (wzrost pH).

Ta olbrzymia konkrecja, znaleziona na półwyspie Mangyszłach, wyrosła wokół skorupy amonitów. Zdjęcie z mindraw.web.ru

Korzystne warunki powstawania guzków określają następujące czynniki:
1) obecność lokalnych nagromadzeń świeżej materii organicznej na dnie morskim;
2) wystarczająco wysokie wartości sedymentacji głównie cienkich, glinowo-aleurytowych;
3) brak intensywnego mieszania, który zapobiega zachowaniu miękkich tkanek organizmów, wokół których może rosnąć guzek.

Chociaż ogólny wzór tworzenia guzków jest jasny, pozostaje wiele pytań. Jak szybko rosną? Dlaczego często mają one prawidłowy kształt kulisty i wyraźne granice? Dlaczego osadzanie Ca i CO3 i, w związku z tym, wzrost guzków, w pewnym momencie zatrzymać?

Naukowcy z Uniwersytetu w Nagoi w Japonii, pod przewodnictwem Hidekazu Yoshidy, odpowiedzieli na te pytania, matematycznie opisując zależność między parametrami powstawania sferycznych guzków, procesami przenoszenia masy w osadach gospodarza (macierz osadu) i szybkościami wzrostu guzków. W tym celu opracowano metodę analizy guzków za pomocą diagramów krzyżowych (cross-graph) szybkości dyfuzji i szybkości wzrostu guza. Korzystając z tej metody, przeanalizowali różne typy sferycznych guzków z trzech miejsc w Japonii i porównali je z guzkami z Anglii i Nowej Zelandii.Badanie kontynuuje i podsumowuje pracę tej grupy naukowców z guzkami – wcześniej badali guzki z jednego miejsca w Japonii (H. Yoshida i wsp., 2015). Przebadano łącznie 54 grudki węglanowe ze złóż kredowych okręgu Tesio na wyspie Hokkaido (dystrykt Teshio) i oligoceńskich osadów Yatsuo (Yatsuo) i Morozaki w środkowej Japonii. Wszystkie skały otaczające są pochodzenia morskiego i są reprezentowane przez bardzo drobnoziarniste gliny.

Badania guzków substancji przeprowadzono przy użyciu skaningowej analitycznej mikroskopii rentgenowskiej (Scanning X-ray Analytical Microscopy, SXAM). Metodę tę zastosowano do określenia profilu rozkładu wapnia (Ca), manganu (Mn) i żelaza (Fe) pomiędzy ciałem brodawkowym a macierzystą matrycą macierzystą. Profile SXAM (ryc. 2) pokazują, że cały wapń jest skoncentrowany w korpusie bryły, a guzek jest oddzielony od otaczającej skały (mułowca) przez wyraźną granicę wzdłuż której znajduje się strefa przejściowa.

Ryc. 2 Węzeł węglanowy w macierzy argillitowej (a) oraz wyniki badań wykorzystujących metodę SXAM: dystrybucję wapnia (Ca), manganu (Mn) i żelaza (Fe) na powierzchni cięcia. Wokół pazurów z rodzaju rodzi się konkrecja Callianassa (w środku, rozmiar pazura wynosi zwykle 3-7 cm). e – profil zmian stężenia wapnia wzdłuż biała linia przerywana na obrazie b. Rysunek z omawianego artykułu w Raporty naukowe

To właśnie ta strefa na powierzchni guzka była frontem reakcji, na którym zachodziły reakcje wymiany dyfuzyjnej między HCO.3 (wodorowęglan powstający podczas rozkładu materii organicznej znajdującej się w środku guzka i który stał się ziarnem) i Ca2+przenikanie z zewnętrznych porów wody. W miarę wzrostu liczby guzków w tej strefie tworzy się i wytrąca węglan wapnia CaCO3 w postaci kalcytu (ryc. 3). Szerokość L strefy przejściowej zależy od wielkości guzków. Dla guzków z Tesio, o średnicy 1-2 cm, wynosi około 1 mm, dla guzków z Yatsuo o wielkości 1,5-3 cm, wynosi 2-3 mm, a dla większych guzków z Morodzakiego (3-7 cm) ) L = 3-6 mm. Obliczenia bilansu masowego (stosunek ilości wodorowęglanu, który może powstać z rozkładających się organizmów, do powstałego kalcytu), przeprowadzonego przez badaczy, oraz danych izotopowych (δ13C) potwierdzić założenie, że węgiel utrwalony w guzkach węglanowych,pochodzi głównie z rozkładu organizmów wewnątrz guzków. Kiedy cały ten węgiel zostanie zużyty lub przestanie płynąć do strefy przejściowej, wzrost guzka zatrzymuje się.

Ryc. 3 Koncepcyjny schemat formowania sferycznych bryłek. Z wykresu można zobaczyć, że wytrącanie kalcytu w strefie reakcji (znajduje się pomiędzy pionowe przerywane liniei w konsekwencji wzrost guzka będzie kontynuowany aż do zużycia organicznego źródła węgla w centrum brodawki. Rysunek z omawianego artykułu w Raporty naukowe

Obecność wyraźnie określonego frontu reakcji o pewnej szerokości, przy której wytrąca się kalcyt, pozwala wyjaśnić obecność ostrych gradientów chemicznych (zwłaszcza wapnia), które występują wzdłuż krawędzi prawie wszystkich guzków, a także stałego stężenia CaCO.3 i stała porowatość w korpusie bryły (ich obecność jest określana przez analizę cienkich przekrojów i pomiar porowatości). Węglowodór (HCO3) ma wyższy współczynnik dyfuzji w porównaniu z jonami wapnia (Ca2+), zatem jest to stężenie HCO3 wraz z porowatością guzków ciała – determinującymi czynnikami ich wzrostu.

Stwierdzono, że ważnym czynnikiem ograniczającym dyfuzję i spowalniającym migrację substancji rozpuszczonych ze strefy przejściowej jest tworzenie się guzków w nisko przepuszczalnych drobnoziarnistych osadach gliniastych. W tym przypadku stężenie wodorowęglanu na froncie reakcji rośnie dość szybko, co powoduje szybkie wytrącanie się węglanu wapnia i tworzenie się bryłek o ostrych granicach. Z reguły osady takich facji powstają na głębokości kilkudziesięciu metrów w przypadku braku silnych prądów dennych.

Autorzy proponują następujący model zależności między szerokością strefy przejściowej (L), współczynnikiem dyfuzji HCO3 (D) i szybkość wzrostu guzków (V): L = D / V. Pierwsze dwa parametry można zmierzyć eksperymentalnie, a tempo wzrostu szacuje się na podstawie tej zależności. Umożliwia to oszacowanie czasu, w którym powstają guzki: minimalna możliwa szybkość wzrostu określa górną wartość szacunkową na czas trwania okresu formowania.

Dane pokazują, że sferyczne guzki powstają bardzo szybko – od kilku miesięcy do kilku lat, a nie setki tysięcy i milionów lat, jak wcześniej sądzono. Nawet formowanie się gigantycznych guzków zajmuje nie więcej niż kilkadziesiąt lat.Ten szybki mechanizm formowania wyjaśnia, dlaczego niektóre guzki zawierają wewnątrz dobrze zachowane skamieniałości miękkich tkanek organizmów, które rzadko zachowują się w innych warunkach.

Aby potwierdzić stosowalność ich hipotezy dla wszystkich sferycznych węglanowych guzków, autorzy zbadali również dolne jury (dolny leas, patrz Grupa Lias) z Dorset (południowa Anglia), znanej tam jako "Coinstones" (kamienie-monety); Tak zwane kamienie curlingowe z okresu dolnej jury (górny leja) z północno-wschodniego wybrzeża hrabstwa Yorkshire (Anglia) i głazy Moeraki z Nowej Zelandii. Stwierdzono, że przód reakcji na granicy zewnętrznej jest charakterystyczny dla wszystkich sferycznych guzków węglanowych tworzonych syngenicznie lub w najwcześniejszych stadiach diagenezy, gdy są one zanurzone w osadach morskich źródeł węgla organicznego. Wszystkie zależności zidentyfikowane dla japońskich guzków również zostały potwierdzone. Daje to autorom prawo do stwierdzenia, że ​​opracowali ogólny jednolity model warunków tworzenia sferycznych węglanowych guzków w osadach morskich (ryc. 4).

Ryc. 4 Ogólny jednolity model warunków powstawania sferycznych guzków węglanowych w osadach morskich. Na wykresie przekrojowym zależności między współczynnikiem dyfuzji (D; cm2/ s) i szybkość wzrostu czoła reakcji (V; cm / s) na niebiesko podkreślono wąskie pole efektywnych warunków dla tworzenia kulistych guzków. Rysunek z omawianego artykułu w Raporty naukowe

Przedstawiona metoda ma również zastosowanie do oszacowania szybkości wzrostu dowolnych, a nie tylko węglanowych, syngenetycznych guzków, które powstały w najwcześniejszych stadiach diagenezy podczas kontrolowanego przez dyfuzję dostarczania substancji przez przód reakcji.

Źródło: Hidekazu Yoshida, Koshi Yamamoto, Masayo Minami, Nagayoshi Katsuta, Sirono Sin-ichi, Richard Metcalfe. Uogólnione warunki tworzenia sferycznych węglanów Raporty naukowe. 2018. DOI: 10.1038 / s41598-018-24205-5.

Vladislav Strekopytov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: