Физико-химические механизмы образования концентрически-полосчатых агатов в базальтах: гипотезы и эксперименты

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основании литературных данных суммированы основные свойства агатов и условия их образования, а также выполнен критический анализ гипотез образования агатов. Наиболее адекватной оказалась гипотеза послойного осаждения и раскристаллизации кремнезема, извлеченного из вмещающей породы (в частности, базальта). Однако остались трудности в объяснении перемещения SiO2 от вмещающего базальта к агатовым полостям, причин осаждения SiO2, роли фазовых превращений и механизма образования полосчатости. Для прояснения этих вопросов выполнены эксперименты по растворению образцов базальта в воде в течение 4 мес. при 300 °С. Образование кремнезема было заметным лишь в опытах, где образец базальта был погружен в воду наполовину. В частности, в порах и на поверхности образца выше уровня воды отложился аморфный кремнезем (опал-А), который образовал агатоподобные слоистые текстуры и местами заместился халцедоном. Результаты экспериментов объясняются в рамках дистилляционной гипотезы, которая может быть пригодной и для образования агатов. Гипотеза совмещает возможности переноса SiO2 в области низких концентраций и осаждения SiO2 в области высоких концентраций, а также объясняет полосчатость агата колебанием баланса поставки и потребления растворенного кремнезема в реакциях осаждения и фазовых превращений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Алексеев

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Россия, ул. Косыгина, 19, Москва

Д. В. Корост

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: dkorost@mail.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва

Н. В. Степанов

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Россия, Ленинградский проспект, 64, Москва

А. В. Мохов

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Россия, ул. Косыгина, 19, Москва

И. Н. Громяк

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Россия, ул. Косыгина, 19, Москва

Список литературы

  1. Айлер Р. (1982) Химия кремнезема. Ч. 2. М.: Мир, 712 с.
  2. Алексеев В.А. (2019) Наночастицы и нанофлюиды при взаимодействиях вода–порода. Геохимия. 64(4), 343–355.
  3. Alekseyev V.A. (2019) Nanoparticles and nanofluids in water–rock interactions. Geochem. Int. 57(4), 357–368.
  4. Алексеев В.А. (2023) Перенос металлов в гидротермальных условиях в виде коллоидных частиц и пересыщенных истинных растворов. Геохимия. 68(6), 608–621.
  5. Alekseyev V.A. (2023) Transfer of metals under hydrothermal conditions in the form of colloidal particles and supersaturated true solutions. Geochem. Int. 61(6), 630–642.
  6. Алексеев В.А., Медведева Л.С. (2018) Распределение кремнезема в системе кварц-вода-пар в зависимости от температурного градиента. Геохимия. (2), 147–159.
  7. Alekseyev V.A., Medvedeva L.S. (2018) Silica distribution in the system quartz–water–vapor depending on the temperature gradient. Geochem. Int. 56(2), 136–147.
  8. Алексеев В.А., Бурмистров А.А., Громяк И.Н. (2021) Превращение кварца в опал у границы вода–пар. Геохимия. 66(4), 329–340.
  9. Alekseyev V.A., Burmistrov A.A., Gromiak I.N. (2021) Quartz transformation into opal at the water–vapor interface. Geochem. Int. 59(4), 377–387.
  10. Бетехтин А.Г. (1950) Минералогия. М.: Госгеолиздат, 956 с.
  11. Барсанов Г.П., Яковлева М.Е. (1982) Минералогия, макро- и микроморфологические особенности агатов. Труды минералогического музея. Выпуск 30. Новые данные о минералах СССР (ред. Барсанов Г. П., Чистякова М. В.). М.: Наука, с. 3–26.
  12. Годовиков А.А., Рипинен О.И., Моторин С.Г. (1987) Агаты. М.: Недра, 368 с.
  13. Григорьев Д.П. (1961) Онтогения минералов. Львов: Изд. Львов. ун-та. 284 с.
  14. Кантор Б.З. (2006) К проблеме генезиса агатов (новые данные). Новые данные о минералах. (41), 145–153.
  15. Кантор Б.З. (1997) Беседы о минералах. М.: Астрель, 131 с.
  16. Кигай И.Н. (2017) Об условиях образования агатов. Минералогия. 3(2), 75–90.
  17. Кигай И.Н. (2020) Проблемы гидротермального рудообразования. Учебное пособие. М.: МАКС Пресс.
  18. Кигай И.Н., Тагиров Б. Р. (2010) Эволюция кислотности рудообразующих флюидов, обусловленная гидролизом хлоридов. Петрология. 18(3), 270–281.
  19. Киевленко Е.Я. (1980) Поиски и оценка месторождений драгоценных и поделочных камней. М.: Недра, 166 с.
  20. Климентов П.П., Кононов В. М. (1973) Динамика подземных вод. М.: Высшая школа, 440 с.
  21. Корост Д.В., Арискин А.А., Пшеницын И.В., Хомяк А.Н. (2019) Рентгеновская компьютерная томография как метод реконструкции 3d-характеристик рассеянных сульфидов и шпинелида в плагиодунитах Йоко-Довыренского интрузива. Петрология. 27(4), 401–419.
  22. Малеев М.Н. (1971) Свойства и генезис природных нитевидных кристаллов и их агрегатов. М.: Наука.
  23. Методические указания по поискам и перспективной оценке месторождений цветных камней. Вып. 11. Агат (1976) М.: Министерство геологии СССР.
  24. Набоко С.И. (1959) Вулканические эксгаляции и продукты их реакций. М.: АН СССР.
  25. Набоко С.И., Сильниченко В.Г. (1957) Образование силикагеля на сольфатарах вулкана Головнина на острове Кунашир. Геохимия. (3), 253–256.
  26. Спиридонов Э.М. Генетические типы месторождений драгоценных и поделочных камней. М.: изд. МГУ. 2000. 61 с.
  27. Спиридонов Э.М., Ладыгин В.М., Янакиева Д., Фролова Ю.В., Семиконенных Е.С. (2014) Агаты в метавулканитах: геологические обстановки, параметры и время превращения вулканитов в мандельштейны с агатами. Вестник РФФИ. Спецвыпуск. 66 с.
  28. Спиридонов Э.М. (2019) Явления расщепления кристаллов при их росте – результат совместного действия эффектов Штернберга–Пунина и Ребиндера. ДАН. 485(5), 619–620.
  29. Степанов В.И. (1970) О происхождении так называемых “колломорфных” агрегатов минералов. Онтогенические методы изучения минералов (ред. А. Г. Жабин). М.: Наука, 1970. с. 198–206.
  30. Чухров Ф.В. (1955) Коллоиды в земной коре. М.: АН СССР, 671 с.
  31. Adamson A.W., Gast A.P. (1997) Physical chemistry of surfaces. 6th ed. John Wiley & Sons. New York.
  32. Alekseyev V.A. (2023) Spontaneous solution distillation in a closed silica-water system at the water-vapor interface: Review of experimental studies. In: Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, Planetary Sciences. (eds. V.P. Kolotov and N.S. Bezaeva). Springer, 175–186.
  33. Alekseyev V.A., Balashov V.N., Medvedeva L.S., Opolchentsev A.M. (2022) Natural distillation of solutions and opal formation in closed vapor-liquid hydrothermal systems. Geochem. Int. 60(13), 1391–1412.
  34. Berger G., Claparols C., Guy C., Daux V. (1994) Dissolution rate of a basalt glass in silica-rich solutions: Implications for long-term alteration. Geochim. Cosmochim. Acta. 58(22), 4875–4886.
  35. Bettermann P., Liebau F. (1975) The transformation of amorphous silica to crystalline silica under hydrothermal conditions. Contr. Mineral. Petrol. 53, 25–36.
  36. Bico J., Thiele U., Quéré D (2002) Wetting of textured surfaces. Colloids Surfaces A 206, 41–46.
  37. Campbell A.S., Fyfe W.S. (1960) Hydroxyl ion catalysis of the hydrothermal crystallization of amorphous silica; a possible high temperature pH indicator. Am. Miner. 45(3–4), 464–468.
  38. Carr R.M., Fyfe W.S. (1958) Some observations on the crystallization of amorphous silica. Am. Miner. 43(9–10), 908–916.
  39. Chukhrov F.V. (1966) Present views on colloids in ore formation. Intern. Geol. Rev. 8(3), 336–345.
  40. Dai S., Shin H., Santamarina J. (2016) Formation and development of salt crusts on soil surfaces. Acta Geotechnica. 11(5), 1103–1109.
  41. Drummond S.E., Ohmoto H. (1985) Chemical evolution and mineral deposition in boiling hydrothermal systems. Econ. Geol. 80, 126–147.
  42. Ducasse T., Gourgiotis A., Pringle E., Moynier F., Frugier P., Jollivet P., Gin S. (2018) Alteration of synthetic basaltic glass in silica saturated conditions: Analogy with nuclear glass. Appl. Geochem. 97, 19–31.
  43. Elliston J. (2018) Hydration of silica and its role in the formation of quartz veins – Part 1. Substantia. 2(2), 43–71.
  44. Elliston J. (2019) Hydration of silica and its role in the formation of quartz veins – Part 2. Substantia. 3(1), 63–94.
  45. Flörke O.W. (1972) Transport and deposition of SiO2 with H2O under supercritical conditions. Krist. Tech. 7(1–3), 159–166.
  46. Flörke O.W., Köhler-Herbertz B., Langer K., Tönges I. (1982) Water in microcrystalline quartz of volcanic origin: Agates. Contr. Mineral. Petrol. 80(4), 324–333.
  47. Fournier R.O. (1977) Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems. Geothermics. 5(1–4), 41–50.
  48. French M.W., Worden D.R., Lee D.R. (2013). Electron backscatter diffraction investigation of length-fast chalcedony in agate: Implications for agate genesis and growth mechanisms. Geofluids. 13(1), 32–44.
  49. Friedman S.R., Khalil M., Taborek P. (2013) Wetting transition in water. Phys. Rev. Lett. 111(22), art. No 226101.
  50. Frondel C. (1982) Structural hydroxyl in chalcedony (Type B quartz). Am. Miner. 67(11–12), 1248–1257.
  51. Gíslason S.R., Heaney P.J., Veblen D.R., Livi K.J.T. (1993) The difference between the solubility of quartz and chalcedony: The cause? Chem. Geol. 107(3–4), 363–366.
  52. Gliozzo E. (2019) Variations on the silica theme: Classification and provenance from Pliny to current supplies. In: EMU Notes in Mineralogy, Vol. 20: The Contribution of Mineralogy to Cultural Heritage. (eds. G. Artioli and R. Oberti). P. 13–85.
  53. Götze J., Möckel R., Pan Y. (2020) Mineralogy, geochemistry and genesis of agate—a review. Minerals. 10(11), art. No 1037.
  54. Graetsch H., Gies H., Topalović I. (1994) NMR, XRD and IR study on microcrystalline opals. Phys. Chem. Minerals. 21, 166–175.
  55. Gudbrandsson S., Wolff-Boenisch D., Gislason S.R., Oelkers E.H. (2011) An experimental study of crystalline basalt dissolution from 2 ≤ pH ≤ 11 and temperatures from 5 to 75 C. Geochim. Cosmochim. Acta. 75(19), 5496–5509.
  56. Gysi A.P., Stefánsson A. (2012) Mineralogical aspects of CO2 sequestration during hydrothermal basalt alteration – An experimental study at 75 to 250 C and elevated pCO2. Chem. Geol. 306–307, 146–159.
  57. Heaney P.J. (1993) A proposed mechanism for the growth of chalcedony. Contr. Mineral. Petrol. 115(1), 66–74.
  58. Heaney P.J., Davis A.M. (1995) Observation and origin of self-organized textures in agates. Science. 269(5230), 1562–1565.
  59. Hoshino K., Itami T., Shiokawa R., Watanabe M. (2006) A possible role of boiling in ore deposition: A numerical approach. Resour. Geol. 56, 49–54.
  60. Howard C.B., Rabinovitch A. (2018) A new model of agate geode formation based on a combination of morphological features and silica sol-gel experiments. Eur. J. Mineral. 30(1), 97–106.
  61. Kigai I.N. (2019) The genesis of agates and amethyst geodes. Can. Mineral. 57(6), 867–883.
  62. Liesegang R.E. (1915) Die Achate. Verlag von Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig, 122 p.
  63. Lu Taijing, Sunagawa I. (1994) Texture formation of agate in geode. Mineral. J. 17 (2), 53–76.
  64. Manning C.E. (1994) The solubility of quartz in H2O in the lower crust and upper mantle. Geochim. Cosmochim. Acta. 58 (22), 4831–4839.
  65. Mazurek A., Pogorzelski S.J., Boniewicz-Szmyt K. (2009) Adsorption of natural surfactants present in sea waters at surfaces of minerals: Contact angle measurements. Oceanologia. 51(3), 377–403.
  66. Merino E., Wang Y. (2001) Self-organization in rocks: occurrences, observations, modeling, testing – with emphasis on agate genesis. In: “Non-equilibrium processes and dissipative structures in geoscience”, Yearbook “Self-Organization”, Vol. 11 (eds. H.J. Krug and J.H. Kruhl). Duncker & Humblot, Berlin, 13–45.
  67. Mizutani S. (1970) Silica minerals in the early stage of diagenesis. Sedimentology. 15(3–4), 419–436.
  68. Mysen B. (2022) Fluids and physicochemical properties and processes in the Earth. Prog. Earth. Planet. Sci. 9, art. No 54.
  69. Moitra P., Houghton B.F. (2021) Porosity-permeability relationships in crystal-rich basalts from Plinian eruptions. Bull. Volcanol. 83(11), art. No 71.
  70. Moxon T., Palyanova G. (2020) Agate genesis: A continuing enigma. Minerals. 10(11), art. No 953.
  71. Nacken R. (1948) Über die Nachbildung von Chalcedon-Mandeln. Natur und Volk. 78, 2–8.
  72. Oehler J.H. (1976) Hydrothermal crystallization of silica gel. Bull. Geol. Soc. Am. 87(8), 1143–1152.
  73. Okamoto A., Saishu H., Hirano N., Tsuchiya N. (2010) Mineralogical and textural variation of silica minerals in hydrothermal flow-through experiments: Implications for quartz vein formation. Geochim. Cosmochim. Acta. 74(13), 3692–3706.
  74. Ortoleva P., Chen Y., Chen W. (1994). Agates, geodes, concretions and orbicules: Self-organized zoning and morphology. In: Fractals and Dynamic Systems in Geoscience (ed. Kruhl J.H.). Springer, Berlin, Heidelberg, 283–305.
  75. Pabian R.K., Zarins A. (1994) Banded Agates – Origins and Inclusions. Educational Circular. No 12. University of Bebraska: Lincoln, NE, USA, 32 p.
  76. Phukan M., Vu H.P., Haese R.R. (2021) Mineral dissolution and precipitation reactions and their net balance controlled by mineral surface area: An experimental study on the interactions between continental flood basalts and CO2-saturated water at 80 bars and 60  C. Chem. Geol. 559, art. No 119909.
  77. Plawsky J.L., Ojha M., Chatterjee A., and Wayner Jr.P.C. (2008) Review of the effects of surface topography, surface chemistry, and fluid physics on evaporation at the contact line. Chem. Eng. Commun. 196, 658–696.
  78. Plyasunov A.V. (2012) Thermodynamics of Si(OH)4 in the vapor phase of water: Henry’s and vapor–liquid distribution constants, fugacity and cross virial coefficients. Geochim. Cosmochim. Acta. 77, 215–231.
  79. Qazi M.J., Salim H., Doorman C.A. W., Jambon-Puillet E., Shahidzadeh N. (2019) Salt creeping as a self-amplifying crystallization process. Sci Adv. 5(12), eaax1853.
  80. Ryzhenko B.N., Barsukov V.L., Knyazeva S.N. (2000) Chemical characteristics (composition, pH, and Eh) of the water-rock system: III. Pyroxenite-water and dunite-water systems. Geochem. Int. 38(6), 560–583.
  81. Saar M.O., Manga M. (1999) Permeability-porosity relationship in vesicular basalts. Geophys. Res. Letters. 26(1), 111–114.
  82. Schaefer D.W. (1989) Polymers, fractals, and ceramic materials. Science. 243(4894), 1023–1027.
  83. Schmidt P., Slodczyk A., Le´a V., Davidson A., Puaud S., Sciau P. (2013) A comparative study of the thermal behaviour of length-fast chalcedony, length-slow chalcedony (quartzine) and moganite. Phys. Chem. Miner. 40, 331–340.
  84. Smirnov S.Z., Thomas V.G., Kamenetsky V.S, Kozmenko O.A., Large R.R. (2012) Hydrosilicate liquids in the system Na2O-SiO2-H2O with NaF, NaCl and Ta: Evaluation of their role in ore and mineral formation at high T and P. Petrology. 20(3), 271–285.
  85. Sparks R.S.J. (1978) The dynamics of bubble formation and growth in magmas: A review and analysis. J. Volcanol. Geotherm. Res. 3, 1–37.
  86. Techer I., Advocat T., Lancelot J., Liotard J.-M. (2001) Dissolution kinetics of basaltic glasses: control by solution chemistry and protective effect of the alteration film. Chem. Geol. 176(1–4), 235–263.
  87. Tsuzuki Y., Ogasawara K. (1987) Dissolution experiments on albite and basalt glasses at various temperatures and their application to hydrothermal alteration in geothermal fields. Geochem. J. 21(6), 261–281.
  88. Van Enckevort W., Los J. (2013) On the creeping of saturated salt solutions. Cryst. Growth Des. 13(5), 1838–1848.
  89. Wagner W. and Pruß A. (2002) The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use. J. Phys. Chem. Ref. Data. 31(2), 387–535.
  90. Walger E., Mattheß G., Von Seckendorff V., Liebau F. (2009) The formation of agate structures: Models for silica transport, agate layer accretion, and for flow patterns and flow regimes in infiltration channels. Neues Jahrb. Mineral. Abh. 186(2), 113–152.
  91. Wang Y., Merino E. (1990) Self-organizational origin of agates: Banding, fiber twisting, composition, and dynamic crystallization model. Geochim. Cosmochim. Acta. 54(6), 1627–1638.
  92. Wedekind W., López-Doncel R., Dohrmann R., Kocher M. (2013) Weathering of volcanic tuff rocks caused by moisture expansion. Environ. Earth Sci. 69, 1203–1224.
  93. White J.F., Corwin J.F. (1961) Synthesis and origin of chalcedony. Am. Miner. 46, 112–119.
  94. Williams L.A., Crerar D.A. (1985) Silica diagenesis, II. Ge-neral mechanisms. J. Sediment. Petrol. 55(3), 312–321.
  95. Williams L.A., Parks G.A., Crerar DA. (1985) Silica diagenesis, I. Solubility controls. J. Sediment. Petrol. 55(3), 301–311.
  96. Zhang X., Ji L., He X. (2020) Gemological characteristics and origin of the Zhanguohong agate from Beipiao, Liao-ning province, China: A combined microscopic, X-ray diffraction, and Raman spectroscopic study. Minerals. 10(5), art. No 401.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Растворимости фаз кремнезема в воде при давлении насыщенного водяного пара для разных температур (Plyasunov, 2012; Fournier, 1977). Справа показаны концентрации растворенного кремнезема в опытах, выполненных в данной работе при 300 С.

Скачать (528KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости скорости растворения базальта (r) от времени (а), рН раствора (б) и температуры (в), по данным (Berger et al., 1994; Gudbrandsson et al., 2011). r0 – начальная скорость растворения.

Скачать (576KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фото образцов базальта высотой 6 см в проволочных каркасах после опытов с полным (МБ-1) и частичным (МБ-0.5 и ПБ-0.5) погружением образцов в воду (стрелки показывают уровень воды).

Скачать (2MB)
Метаданные
5. Рис. 4. СЭМ-изображения фаз кремнезема из опыта МБ-0.5: (а) – некристаллический опал-А, (б) –микрокристаллический кристобалитовый опал-С, (в) – макрокристаллический кварц.

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение пористости базальтового цилиндра по высоте (а) и распределение пор в этом цилиндре по размеру (б) до и после опыта ПБ-0.5 по данным КТ.

Скачать (417KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Край томографического сечения пористого базальта (46 мм на рис. 5а) до опыта (а) и результат вычитания КТ-моделей до и после опыта ПБ-0.5 в этом же сечении (б). На рис. (а) твердые фазы темные, поры светлые. На рис. (б) участки появления кремнезема черные, участки исчезновения базальта белые, неизмененные участки серые.

Скачать (613KB)
Метаданные
8. Рис. 7. СЭМ-изображения новообразований в аншлифе сечения пористого базальта (46 мм на рис. 5а) после опыта ПБ-0.5: (а) – агатоподобная текстура опала-А в поре, (б) – замещение новообразованного опала-А халцедоном в поре, (в) – многослойная текстура опала-А на краю сечения. Темное – пустоты.

Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025