Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Кремнистые породы

Общая характеристика кремнистых пород

Кремнистыми (или силицитолитами) именуются породы, более чем на 50% состоящие из минералов группы оксидов кремния – опала, кристобалита, тридимита, халцедона и развивающегося по ним кристаллически-зернистого кварца (Япаскурт О.В., 2008). В.Т. Фролов в 1992 г. предложил называть их «кремневыми». Широко используется также термин «силициты».

Кварцевые алевролиты, песчаники, гравелиты и конгломераты данной группе не принадлежат – это обломочные породы. Кварциты – образования метаморфические.

Кремневые породы по своей распространенности занимают 4-е место после карбонатных (1,5—2% всего осадочного материала).

Минеральный состав

Опал – преимущественно или только аморфный кремнезем SiO2·nH2O с переменным содержанием воды, с низкой плотностью (около 2,1), растворимый в КОН, с низким показателем преломления (чаще всего от 1,38 до 1,46). Опал обнаружен только в кайнозойских и мезозойских силицитах, а в более древних он замещен халцедоном и кварцем.

Кристобалит SiO2 низкотемпературный – тетрагональный или псевдокубический, с низкими преломлением и двупреломлением, существующий при температурах до 200—275°С, обычно коллоидальный, пластинчатый или волокнистый, метастабильный, растворяется в расплавленной Na2СО3. В седиментогенных и метасоматических опалитах более распространен неупорядоченный кристобалит.

Тридимит SiО2 низкотемпературный – ромбический или моноклинный коллоидально-пластинчатый и волокнистый минерал с низкими преломлением и двупреломлением, метастабильный, при 117°C переходящий в высокотемпературную модификацию, а потом и в кварц.

Опал-CT. Под СЭМ устанавливается, что опалиты слагаются глобулями диаметром 1—5 мкм, представляющими собой леписферы – срастания опала с пластиночками кристобалита, которые напоминают микроскопические гипсовые розы.

Халцедон SiO2·nH2O – группа ультра- или криптоволокнистых по размеру коллоидальных минералов с кристаллической решеткой кварца.

Кварц SiO2 – полнокристаллическая разновидность кремнезема тригональной сингонии с низким положительным рельефом, низким двупреломлением, положительного оптического знака, положительного удлинения, без спайности, с удельным весом 2,65 и твердостью 7.

Главные типы кремнистых пород

По их внешнему облику и минеральным составам делятся на две главные категории.

  1. Опаловые, реже халцедоно-опаловые образования, которые визуально именуются как пелитоморфные. Они обладают характерным «землистым», шершавым на ощупь, изломом.
  2. Халцедоновые и кварцево-халцедоновые породы. Они более крепкие и монолитные, на свежем изломе имеют афанитовую, или стекловатую, макроструктуру (похожи на поперечный скол разбитого толстого стекла, без признаков зернистости).

Истинные микроструктуры и компонентные составы крeмнистых пород выявляются только под микроскопом или даже под электронным микроскопом.

К абиогенным опаловым разновидностям относятся трепелы и опоки. Это светло-серые, очень легкие, некрепкие, неразмокающие породы. На изломе они похожи на мел, но не «вскипают» в НСl.

Трепел (нем. Tripel, от названия города Триполи в Северной Африке) – тонкопористая опаловая осадочная горная порода, рыхлая или слабо сцементированная, очень лёгкая. Сложен преимущественно мелкими сферическими опаловыми, иногда халцедоновыми тельцами (глобулями) размером 0,01—0,02 мм. Обычно в небольшом количестве содержит глинистое вещество, зёрна глауконита, кварца, полевых шпатов. Цвет от белого и сероватого до бурого, красного и чёрного. Трепелы очень пористы (до 90%), их объемный вес близок к 1.

Опоки – более уплотненная разновидность (объемный вес от 1,2 до 1,8 г/см3); по внешнему виду похожи на скол фаянса. Опока состоит в основном из микрозернистого опала (до 97%), обычно с примесью глины, песка, глауконита и др.; присутствуют плохо сохранившиеся остатки диатомей и спикулы губок. Цвет от светло-серого до тёмно-серого, почти чёрного.

Трепел

Опока

Опаловые породы с биоморфными структурами представлены диатомитами, радиоляритами и спонголитами.

Диатомиты сложены тончайшими скелетами диатомовых водорослей. Внешне диатомиты похожи на трепел, но легче его и не тонут в воде; поры составляют до 97 % объема породы. Обычно это рыхлая или слабо сцементированная порода, светло-серого или желтоватого цвета. На 96% состоит из водного кремнезёма (опала). В различных количествах встречаются шарики (глобули) опала, а также обломочные и глинистые минералы.

Радиоляриты сложены мелкими (не крупнее 0,1—0,2 мм) шарообразными скелетиками морских одноклеточных — радиолярий. Породы серого, желтоватого или красного цвета, содержащие также фосфатный, глинистый и иногда алевролитовый материал, опаловые глобули, остатки диатомей, кремнёвых губок и др.

Диатомит под электронным микроскопом

Скелеты раиолярий под электронным микроскопом

Радиолярит в шлифе

Спонголиты состоят из спикул морских губок (от лат. spongia – губка). Внутри канальцев этих спикул опал превращается в микроглобулярный опал СТ. Он на стадии катагенеза кристаллизуется в микрозернистый агрегат волокнистого халцедона. Его примесь существенно утяжеляет породу до 1,8—2,2 г/см3. Цемент породы кремнистый (из опаловых округлых телец – глобулей) или глинистый (слегка известковистый), нередко включает вторичный халцедон.

Спонголит в шлифе

Кремни – обширный и сложный петротип, объединяющий как седиментогенные, так и конкреционные и метасоматические образования.

Состав: от чисто халцедоновых до существенно кварцевых.

Структура: абиоморфная и биоморфная: спикуловые, радиоляриевые, криноидные, раковинные, возникающие при окремнении известняков Макроскопически структура афанитовая, криптокристаллическая.

Излом раковистый, края острые, режущие, часто просвечивающие.

Текстура неслоистая, массивная, а также тонкослоистая. Цвет серый до черного, бурый и красноватый, нередко зеленоватый, белый и светло-серый. Крепость – одна из самых больших. Пористость практически отсутствует, порода сливная.

Кремень серый

Кремень черный

Кремень полосчатый

Фтаниты (греч. «фтано» – предваряю), или лидиды (от древнеримской провинции Лидия в Малой Азии), – черные или темно-серые кремни, обогащенные органическим веществом. Нередки реликты радиолярий и других организмов. В древних, особенно докембрийских, фтанитах-лидитах кремневое вещество – кварц, а органическое превращено в графит.

Обнажение фтанитов. Нижний карбон, Новая Земля

Яшмы – цветные кремни. Ю.Г. Волохин (1985) предложил яшмами называть только красные кремни – в них железо находится преимущественно в трехвалентной, окисленной форме – и противопоставить их собственно кремням – зеленым, серым и бесцветным (и фтанитам), в которых преобладает двухвалентное, восстановленное железо. Яшмы афанитовые, под микроскопом микро- и ультрамикрокристаллические, гранобластовые, при халцедоновом составе и коллоидально-волокнистые. Текстура слоистая, полосчатая, пятнистая и неслоистая, массивная. Слоистость обычно выражена цветом, структурой и примесями. Встречаются оползневые складки и текстуры замещения. Излом раковистый, края острые, режущие. Пористость отсутствует, крепость высокая. Обычны раскристаллизованные панцири радиолярий, реже – спикулы губок, реликты фораминифер и некоторых других известковых скелетных остатков, как правило, плохой сохранности. Нередки яшмы-радиоляриты.

Яшма

Кварциты апосилицитовые сохраняют цвет и все структурно-текстурные и химические свойства первичных силицитов и отличаются от них лишь степенью кристалличности, являясь полнокристаллическими кварцевыми породами.

Геологическое положение и распространение

Различают две геологические формы кремневых тел:
1) пластовую (седиментогенную);
2) желваковую, или конкреционную, возникающую в диагенезе или катагенезе.

Пластовое залегание встречается как в платформенных, так и в складчатых областях. К плаформенным относится диатомито-трепельно-опоковая формация позднего мела и палеоцена юга Русской плиты и Западной Сибири мощностью в десятки метров. Силициты ассоциируются в ней с высокозрелыми кварцевыми песками, глинами, глауконитами, фосфоритами, известняками.

Обнажение опок на р. Сухона

В складчатых областях кремневые формации – яшмовые, собственно кремневые, фтанитовые и диатомито-опоковые – более мощные (до 300-400 м, в единичных случаях – до 1000 м). Силициты в них парагенетически связаны с граувакками, туфами, глинами, эффузивами, реже с карбонатами планктонного или рифового генезиса.

В докембрии неизвестны биоморфные кремни. Главным литотипом являются железистые кварциты (джеспилиты). Несколько позже появились фтаниты и яшмы. С начала кембрия встречаются радиоляриты, и их распространение возрастало до позднего мела-палеогена. Затем диатомеи заняли большинство экологических ниш радиолярий. Платформенные силициты типа трепелов и опок, вероятно, самые молодые, мезозойско-кайнозойские образования.

Конкреционные кремни встречаются главным образом в карбонатных породах, реже в кремневых, песчаных и фосфатных и еще более редко в глинистых. При изометричной форме диаметр конкреций достигает 0,3—0,5 м. Довольро часто в кремнях сохраняются отпечатки раковин и других скелетных остатков, а также древесина. Нередки случаи окремнения органических остатков – раковин, колоний кораллов, члеников криноидей и т.п. Конкреции чрезвычайно разнообразны по форме и размерам, неодинаковы и по степени концентрации и стягивания кремнезема.

Происхождение силицитов

Генезис многих силицитов остается неясным или спорным. Наиболее ясен генезис биоморфных опаловых пород. В современном океане кремневые планктоногенные осадки образуются в трех широтных поясах: двух высокоширотных диатомовых и в экваториальном диатомово-радиоляриевом. Наибольший (шириной 900-1200 км) и непрерывный – циркумантарктический пояс с максимальным содержанием кремнезема в осадках до 70%. Морская вода резко недосыщена относительно аморфного кремнезема. Основная часть кремнистых зерен поступает на дно океана после гибели радиолярий и диатомей, использующих кремнезем для построения своих панцирей. Биогенное извлечение наряду с частичным растворением скелетного материала на глубине приводит к быстрому увеличению концентрации растворенного кремнезема с глубиной. Основные области распространения кремнистых илов на океанском дне соответствуют областям высокой биологической продуктивности, где происходит подъем богатых питательными веществами глубинных вод к теплой фотической зоне.
Н.М. Страхов (1963) показал, что главный источник кремнезема для построения биоскелета – его запасы в Мировом океане, оцениваемые в 5,3·1018г.
Ежегодно биос извлекает из океана 250·1014 г SiO2, что во многие десятки раз превышает его поступление из всех источников, включая терригенный снос и поставку гидротермами.
97% биогенно извлеченного кремнезема вновь растворяется и участвует в круговороте.
3% достигает дна. 1,5% растворяется в верхнем слое осадков и снова возвращается в наддонную воду.
Лишь 1,5% биогенно извлеченного кремнезема (3,2·1014 г/год) фиксируется в осадке.

Полной аналогии современных биогенных кремневых осадков с древними силицитами нет.

Планктоногенные силициты делятся на:

  1. пелагические,
  2. западинно-шельфовые,
  3. лагунные
  4. и озерные.

Бентосное кремненакопление связано с кремневыми губками.

Наиболее трудны для восстановления генезиса абиогенные кремни.
Хемогенное кремненакопление происходит, но неясны его масштабы и роль в образовании трепелов, опок, кремней и яшм, которые не имеют биоморфной структуры. Подавляющая масса силицитов не имеет биоморфной структуры, и они называются поэтому криптогенными, т.е. породами скрытого генезиса.

Бесспорно хемогенными являются отложения горячих источников – кремневые туфы, гейзериты, многие корки, а также гнезда и линзы яшм в базальтах и других эффузивах, отложения подводных гидротерм («белых курильщиков»).

Современная гидросфера в 6—300 раз недонасыщена кремнеземом, ибо в морской воде его содержание 0,5—6 мг/л, а в речной – до 13 мг/л.
Следовательно, химическое осаждение кремнезема невозможно, по крайней мере из истинных растворов.

В докембрии, особенно в архее, жизнь не была так развита. Кремнезем, вероятно, часто насыщал морскую воду и выпадал химическим способом как из истинных, так и из коллоидных растворов. Подтверждением химического способа седиментации служат железистые кварциты и другие хемогенные силициты протерозоя и архея.

Конкреционные кремни широко распространены в карбонатных породах. Щелочной характер иловых вод карбонатов приводит к стягиванию и концентрации кремнезема, скелетные остатки и даже кварцевые зерна растворяются, и вещество может диффундировать через пористый осадок к центрам стягивания.

Метасоматические кремни, образующиеся при замещении карбонатных и других пород кремнеземом, чаще всего халцедоном и кварцем, близки к конкрециям по способу образования, по стадиям (диагенез и катагенез) и отношению к вмещающей породе.

Элювиальные силициты имеют ограниченное распространение.
Кремневые панцири (силькреты, кремневые кирасы) распространены в полупустынях и пустынях Австралии, Южной Африки, Гоби, Средней Азии и других. Они массивные, по составу халцедоновые и кварцевые, редко опаловые, мощностью до 1—2 м. Образуются в результате подъема к поверхности земли капиллярной воды при дневном нагревании песков или коренных пород с кремнеземом.

Практическое применение

Многие силициты – ценные полезные ископаемые или вмещают таковые.

Все опаловые породы, особенно диатомиты и трепела, – прекрасные и самые легкие наполнители в бумажной и резиновой промышленности, теплоизоляторы, фильтры, например бактериальные, тончайшие абразивы, полировальный материал и сырье для производства ценного гидравлического бетона. Их химическая стойкость делает породы кислотоупорными.

Большая пористость и обычная густая трещиноватость превращают опалолиты в емкие коллекторы нефти и газа.

Халцедоновые кремни используются для производства шаров камнеистирающих мельниц, лабораторных ступок и других поделок.
Яшмы – прекрасный декоративный материал, давно и широко используется как поделочный и полудрагоценный камень.
Новакулиты – тонкий абразив.

К силицитам приурочены месторождения железных и марганцевых руд, фосфориты, полиметаллы, а к фтанитам – редкие и драгоценные металлы, например золото, уран.

Выводы

  1. Кремнистыми (кремневыми) именуются породы, более чем на 50% состоящие из опала, кристобалита, тридимита, халцедона и кварца.
  2. Кремневые породы занимают 4-е место по распространенности (после глинистых, обломочных и карбонатных).
  3. Кремневые породы делятся на две главные категории:
    1) опаловые и халцедоно-опаловые;
    2) халцедоновые и кварцево-халцедоновые.
  4. К опаловым абиоморфным разновидностям относятся трепелы и опоки.
  5. Опаловые породы с биоморфными структурами представлены диатомитами, радиоляритами и спонголитами.
  6. Халцедоновые и кварцево-халцедоновые породы включают кремни, фтаниты (лидиды) и яшмы.
  7. Кварциты апосилицитовые являются полнокристаллическими кварцевыми породами и образуются на стадиях позднего катагенеза и метагенеза.
  8. Генезис большинства силицитов остается неясным или спорным. Наиболее ясен генезис биоморфных опаловых пород.
  9. Современная гидросфера недонасыщена кремнеземом, следовательно, его химическая садка невозможна. Однако для докембрийских силицитов предполагается хемогенное осаждение.
  10. Многие силициты – ценные полезные ископаемые или вмещают таковые.

Вопросы для самопроверки

  1. Какие породы относятся к группе кремнистых?
  2. Каковы основные породообразующие минералы кремнистых пород?
  3. Каковы основные типы кремнистых пород?
  4. Каково происхождение кремнистых пород?
  5. Каково практическое значение кремнистых пород?