» » Структуры Лизеганга в осадочных породах

Структуры Лизеганга в осадочных породах

Структуры Лизеганга в осадочных породах

Цветные концентрические разводы, которые вы видите на этой плите песчаника, в геологии называются кольцами Лизеганга, см. Liesegang rings (geology). Химическое явление, объясняющее процесс их образования, было открыто в 1896 году немецким химиком Рафаэлем Лизегангом в экспериментах, никакого отношения к геологии не имевшим. Сам Лизеганг называл получившиеся в его реакциях периодические полосы А-линиями, но чуть позже другой известный химик — Вильгельм Оствальд, разработавший первое теоретическое описание процесса их образования, — предложил переименовать их в честь первооткрывателя.


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Поперечное сечение трехмерных структур Лизеганга в спиле триасового песчаника из облицовки здания банка в городе Байройт, Германия. фото Кирилла Власова, 15 августа 2021 года


Механизм формирования колец Лизеганга в осадочных породах изучен достаточно хорошо и вполне воспроизводим искусственно. Точно так же, как и в лабораторных экспериментах, описанных в картинке дня Структуры Лизеганга, для формирования периодических слоев осадка требуется некоторая среда с высокими концентрациями элемента, который будет выпадать в осадок, и некоторый источник другого элемента, который будет диффундировать в среде и запускать реакцию осадкообразования. В описываемом случае средой для реакции являются перенасыщенные коллоидные растворы гидроксидов железа, находящиеся в сообщающихся порах горных пород. Когда более восстановленные растворы из пористой породы (содержащие растворенное железо Fe2+) реагируют с проникающими с поверхности вниз по трещинам богатыми кислородом метеорными водами (см. Meteoric water) или просто с кислородом, формируется осадок:

2Fe2+ + 0,5O2 + 3H2O = 2FeO(OH)? + 4H+

2Fe2+ + 0,5O2 + 2H2O = Fe2O3? + 4H+


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Схема образования колец Лизеганга и железистых конкреций. A — общий план. Внизу находится слой плотных и плохо проницаемых для жидкостей известняков (Carbonates), являющийся водоупорным слоем (обозначен черным толстым пунктиром — groundwater table). Над ним — слой песчаника с высокой пористостью и восстановленными растворами, насыщенными Fe2+ (High-porosity sand). Над слоем песчаника находятся плотные глинистые породы (Low porosity silt), которые изолируют восстановленные воды от окислительной атмосферы Земли до возникновения разломов и трещин (тонкие вертикальные прямые линии). На схеме видны три различные геологические структуры: site 1 — небольшой прогиб водоупорного слоя; site 2 — зона вдоль трещины/разлома; site 3 — блок песчаника, со всех сторон ограниченный трещинами (как на главном фото). Fe-Liesegang bands — кольца Лизеганга. B — схематичное изображение реакции разлома. FC — зона плохо проницаемых для жидкостей пород вдоль разлома, образующихся при сдвиге из раздробленных и сжатых обломков блока; MZ — зона смешения свободно циркулирующих вод (advective waters, правая половина) в сильно трещиноватой зоне (DZ) с атмосферным кислородом, в которой происходит формирование конкреций (Impregnation Concretions). В зоне неподвижных поровых вод (stagnant waters, левая половина) образуется два диффузионных фронта — из породы в сторону трещины движется железо (Fe2+), а от трещины в породу — кислород (O2). В сторону повышенных концентраций железа (внутрь камня от трещины) распространяется волна пресыщения (Moving reaction front — движущийся фронт реакции), происходит ритмичное выпадение осадка (Liesegang bands), описываемое классом моделей pre-nucleation. Легенда: Advective Fe-rich fluids — насыщенные железом свободно циркулирующие жидкости; Capillary suction of O2-rich fluids — движение насыщенных кислородом раствором за счет капиллярных сил; O2 diffusion into Fe fluids — диффузия кислорода в железистые растворы; Fe2+ ions in stagnant waters — ионы двухвалентного железа в неподвижных поровых растворах; Fluid mixing reaction zones — зоны химических реакций в местах смешения флюидов; Fe2+ rich waters — растворы, насыщенные Fe2+; Low permeable fault core — слабопроницаемые породы разлома; Low permeable mixed zone — слабопроницаемые породы зоны смешения. Изображение из статьи F. Balsamo et al., 2013. Structural control on the formation of iron-oxide concretions and Liesegang bands in faulted, poorly lithified Cenozoic sandstones of the Paraiba Basin, Brazil)


Возникающие цветные полосы состоят преимущественно из оксидов и гидроксидов железа и марганца (если марганец присутствует в породах и участвует в реакции). Чаще всего осадок состоит из минералов гётита (Fe3+O(OH)), гематита (Fe2O3) или скопления аморфных гидроксидов. Физические и химические условия протекания таких реакций очень похожи, и итоговое соединение железа, из которого получаются такие структуры Лизеганга, определяется небольшими вариациями условий протекания реакции, вроде температуры или pH.

Несмотря на популярность словосочетания «кольца Лизеганга» в геологической среде, называть эти структуры во всех образцах именно кольцами не совсем верно. В отдельных случаях, как например на поверхности плит литографских сланцев, наблюдаемые кольца — действительно кольца. Литографские сланцы — это особенная разновидность известняка, состоящего из множества маленьких слоев, на которые он отлично раскалывается. Один из слоев более плотный или окремнелый и служит водоупором. Горизонтальная трещина между слоями или же тонкий слой пористого известняка содержат неподвижные богатые Fe2+ растворы, а вертикальные трещины, прорезающие стопки слоев, являются источником кислорода. Таким образом межслойные горизонтальные трещины, в которых образуются кольца Лизеганга в таких сланцах, — почти двумерная среда, сродни той, что была в исходных опытах Лизеганга с фотопластинками. Вполне вероятно, что термин «кольца Лизеганга» был впервые применен в геологии именно для этих образцов из карьеров долины реки Альтмюль в Баварии. Этот район известен обильными находками верхнеюрской фауны, в том числе археоптерикса, и образцы оттуда были очень хорошо представлены в немецких геологических коллекциях еще в XIX веке.


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Скелет юрской клювоголовой рептилии (Sphenodontidae) в литографском сланце. На плоской поверхности сланца можно наблюдать кольца Лизеганга. Образец из Музея бургомистра Мюллера в Зольнхофене (Германия). фото Кирилла Власова, 22 июля 2021 года


Однако чаще всего, когда речь не идет о баварских сланцах, конечно же, точнее будет говорить именно «структуры Лизеганга». В горных породах вроде песчаника они трехмерные и больше напоминают луковицу, нежели кольца Сатурна. Так, на главном фото видно, что полосы уходят вглубь камня (обратите внимание на скол краев блока в нижнем левом углу), а второе фото — и вовсе поперечный спил монолитного блока. Однако термин «кольца Лизеганга» настолько укоренился в международной геологической литературе что, «структуры Лизеганга», несмотря на большую точность, звучит как непривычный неологизм.


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Образец гётита из полостей в триасовых песчаниках Франконии (Германия). В левой части образца видна ритмичная полосчатость. фото Кирилла Власова, 18 апреля 2021 года


Вообще, по механизму, впервые описанному Лизегангом и Оствальдом, формируются не только кольца на спилах и сколах песчаников, но и целая группа геологических объектов, в том числе конкреции. В полевой геологической практике такие конкреции называют железистыми (не путать с железомарганцевыми с океанского дна) или лимонитовыми. Тут важно заметить, что это не единственный способ образования конкреций, и их химическ состав тоже бывают разный. Кроме уже упоминавшихся железомарганцевых бывают, например, конкреции кремнезема, состоящие в основном из SiO2, и карбонатные конкреции, сложенные сидеритом (FeCO3) или кальцитом (CaCO3).


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Компиляция различных проявлений структур Лизеганга в геологических объектах: А — литографский сланец из Айхштетта (Германия) с аммонитом Neochetoceras, в верху раковины виден аптих (см. картинку дня Аптихи аммонитов); BD — кольца Лизеганга в девонских породах Антиатласа (Марокко); EF — железистые конкреции из девонских пород Антиатласа (Марокко). фото из статьи C. Klug et al., 2021. Taphonomic patterns mimic biologic structures: diagenetic Liesegang rings in Mesozoic coleoids and coprolites


Из-за своей необычной формы периодические кольцевые структуры в горных породах часто вводят в заблуждение людей, не разбирающихся в геологии. Различные конкреции часто принимают за «яйца динозавров» (об этой и других занятных ошибках в определении ископаемых см. картинку дня Народная палеонтология).

Но на самом деле симметричность колец Лизеганга смущает не только любителей редкостей, но и профессиональных палеонтологов. Недавняя статья международной группы ученых описывает несколько случаев обнаружения небольших кольцевых структур в особенно хорошо сохранившихся остатках юрских и меловых головоногих моллюсков. Эти образцы происходили из лагерштеттов — месторождений окаменелостей с исключительной сохранностью мягких тканей. В таких образцах всё, что осталось от мягких тканей, чаще всего замещается минералами фосфора (обычно апатитом), а от челюсти и чернил остаются углеродные следы.


Структуры Лизеганга в осадочных породах

Три морфологических типа кольцевых структур, наблюдавшихся в образцах головоногих моллюсков. I — цветные точки с каймой, II — более насыщенные углеродом концентрические круги, III — преимущественно углеродные концентрические круги. Все эти структуры имеют неорганическое происхождение и сформировались по механизму образования колец Лизеганга. AB — образец Dorateuthis syriaca из мела Ливана; СD — образец Trachyteuthis hastiformis из юры Германии. фото из статьи C. Klug et al., 2021. Taphonomic patterns mimic biologic structures: diagenetic Liesegang rings in Mesozoic coleoids and coprolites


Кольца находились в областях, где раньше располагалась кожа моллюска, поэтому изначально палеонтологи предположили, что имеют дело с окаменелыми хроматофорами — клетками, содержащими пигмент. Однако слишком большой размер колец, их концентрическое расположение и распределение в них химических элементов опровергли данную гипотезу. Оказалось, что кольца, возникшие на месте мягких тканей моллюсков, образовались так же, как и похожие более крупные геологические объекты, и являются не чем иным, как еще одним типом колец Лизеганга, сформировавшимся по описанной в картинке дня «Структуры Лизеганга» модели из группы pre-nucleation. Однако в формировании конкретно этих колец принимало участие не только железо, но и кальций с фосфором, градиенты концентрации которых и привели к образованию концентрических структур в разлагающихся остатках.

фото с сайта de.wikipedia.org.

Кирилл Власов

07 сентябрь 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Структуры Лизеганга

На фото — результат химической реакции дихромата калия (хромпика; K2Cr2O7) и нитрата серебра (AgNO3) в чашке Петри, запечатленный доцентом Западного университета Тимишоары Габриэлем

Трилобиты из сувенирной лавки

Марокканские трилобиты, вроде изображенного на этой фотографии ...

Карбонатные конкреции Прикаспия

На фото — карбонатные конкреции практически идеальной шарообразной формы в урочище Торыш на полуострове Мангышлак (Западный Казахстан)...

Кратер Рис

Перед вами спутниковый снимок метеоритного кратера Нёрдлингерский Рис (или просто кратера Рис) на западной границе Баварии...

Агатовая литофиза

На фото — агатовая литофиза (в разрезе), найденная в пустыне Блэк-Рок, штат Невада, США...

Кольца Сатурна

Избранные фото, полученные зондом «Кассини». Начиная с XVII века человек по крупицам собирал информацию о кольцах Сатурна, странном образовании, окружающим вторую по величине планету Солнечной
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Удивительные животные из воздушных шаров японского художника Масаеси МацумотоУченый Роберт Ланца объяснил, почему смерти не существуетИстория эволюции электромобилейКак Репин Айвазовскому Пушкина нарисовать помогНевероятно реалистичная скульптура «Путешественник»Это самые быстрые серийные мотоциклы в миреВ 2023 году NASA запустит в космос новый луноход VIPER. Чем он займется?Ядерная ракета Vasimr доставит людей на Марс за один месяц. Опасна ли она?