Навіть найбільші сферичні конкреції виростають всього за кілька десятиліть

Ріс. 1. Валуни Моєракі (Moeraki boulders) у Новій Зеландії — гігантські карбонатні конкреції, що сформувалися приблизно 50 млн років тому в морському ілістому осаді. Результати дослідження, про яке піде мова нижче, показують, що навіть такі величезні конкреції формувалися дуже швидко — протягом декількох десятиліть. Фото з прес-релізу Нагойського університету

У морських відкладеннях зустрічаються сферичні карбонатні конкреції — дивовижні об’єкти округлої форми, що досягають часом гігантських розмірів (більше двох метрів в діаметрі). Вигляд цих майже ідеальних за формою і володіючих чіткими кордонами утворень наводить на думку про те, що їх, можливо, створили стародавні цивілізації. Але насправді такі конкреції — досить поширені природні об’єкти, загальна схема утворення яких в цілому була зрозуміла і раніше. У недавньому дослідженні японським вченим вдалося детально розібратися в процесі формування карбонатних конкрецій, а головне — визначити, з якою швидкістю йшов їх зріст.

Ізольовані один від одного конкреції — найчастіше шароподібні мінеральні агрегати — зустрічаються по всьому світу в морських глинистих осадових породах різного віку. Тіло конкреції може бути складено різними мінералами: відомі, наприклад, кремністі, піритові, фосфортові конкреції. Широко поширені карбонатні конкреції. Вони сильно збагачені карбонатом кальцію в порівнянні з вміщуючими осадовими породами і часто містять всередині добре збережені скам’янілості. Процес утворення таких конкрецій пояснюється дифузією та іншими швидкими реакціями за участю органічних розчинників та інших компонентів порової води (води, що знаходиться в порах ще не скам’янілого осідку), що відбуваються одночасно з обложенням речовини на морському дні (тобто сингенетично). В якості прикладів великих конкрецій можна навести знамениті валуни Моєракі та інші сферичні валуни на узбережжі Нової Зеландії, шароподібні камені острова Чамп (архіпелаг Земля Франца-Йосифа), кулясті конкреції в Каліфорнії на «пляжі куль для боулінгу» (Bowling Balls Beach), в Казахстані (прирові (на півострові Гм’ї)

Конкреції — шароподібні мінеральні тіла (хоча іноді зустрічаються конкреції витягнутої і неправильної форми), що утворюються найчастіше в пористих осадових породах. Формування конкрецій відбувається або в результаті дифузійного стягування хімічних речовин до тих, що активізують цей процес, затравок з утворенням в морському осаді колоїдної протоконкреції та її подальшою розкристалізацією, або шляхом зростання мінеральних агрегатів навколо ядра-затравки (це, як правило, відбувається, якщо конкреції формуються в пустотах).

Затравками, що ініціюють навколо себе відкладення того чи іншого мінералу, можуть служити органічні залишки, вуглисті речовини або скупчення мінералів іншого складу. Отже всередині конкрецій можна знайти викопні залишки, наприклад, мушлі стародавніх молюсків. Крім того, що самі карбонатні мушлі є затравками, швидке формування карбонатних конкрецій у цьому випадку відбувається за рахунок розкладання органіки, яке викликає збільшення лужності (підвищення рН).

Ця гігантська конкреція, знайдена на півострові Мангишлак, виросла навколо мушлі амоніту. Фото з сайту mindraw.web.ru

Сприятливі умови для формування конкрецій визначаються наступними факторами:

1) присутністю локальних скупчень свіжої органічної речовини на дні моря; 2)

досить високими швидкостями седиментації переважно тонких, глинисто-алевритових мулів; 3) відсутністю

інтенсивного перемішування, що перешкоджає збереженню м’яких тканин організмів, навколо яких може нарости конкреція.

Незважаючи на те що загальна схема освіти конкрецій зрозуміла, залишається ще багато питань. Як швидко вони ростуть? Чому вони дуже часто володіють правильною сферичною формою і чіткими кордонами? Чому облога Ca і CO₃ і, отже, зростання конкрецій в певний момент зупиняються?

Вчені з Нагойського університету в Японії під керівництвом Хідекадзу Йосіди (Hidekazu Yoshida) відповіли на ці питання, математично описавши взаємозв’язок параметрів освіти сферичних конкрецій, процесів перенесення маси у вміщуючих опадах (осадовій матриці) і темпів зростання конкрецій. Для цього вони розробили метод аналізу конкрецій з використанням кроссплот-діаграм (перехресного графіка) швидкості дифузії і швидкості зростання конкрецій. За допомогою цього методу вони проаналізували різні види сферичних конкрецій з трьох ділянок в Японії і порівняли їх з конкреціями з Англії та Нової Зеландії. Дослідження продовжує і узагальнює роботу цієї групи вчених з конкреціями: раніше вони обстежили конкреції з одного місцезнаходження в Японії (H. Yoshida et al., 2015. Early post-mortem formation of carbonate concretions around tusk-shells over week-month timescales). Всього було проаналізовано 54 карбонатних конкреції з крейдових відкладень повіту Тесіо на острові Хоккайдо (Teshio district) і олігоцінових опадів місцевостей Яцуо (Yatsuo) і Мородзакі (Morozaki) в Центральній Японії. Вміщуючі породи у всіх випадках мають морське походження і представлені дуже тонкозернистими глинами.

Дослідження речовини конкрецій проводилося з використанням скануючої аналітичної рентгенівської мікроскопії (Scanning X-ray Analytical Microscopy, SXAM). За допомогою цього методу визначався профіль розподілу кальцію (Ca), марганцю (Mn) і заліза (Fe) між тілом конкреції і матрицею вміщуючих порід. На профілях SXAM (рис. 2) видно, що весь кальцій зосереджений в тілі конкреції, а від вміщуючої породи (аргілліта) конкреція відокремлена чіткою межею, вздовж якої розташована перехідна зона.

Ріс. 2. Карбонатна конкреція у вміщуючій матриці аргілліту (a) і результати її дослідження методом SXAM: розподіл кальцію (Ca), марганцю (Mn) і заліза (Fe) на зрізі. Конкреція формується навколо клешні креветки з роду Callianassa (в центрі; розмір клешні зазвичай 3-7 см). e — профіль зміни концентрації кальцію вздовж білого пунктиру на зображенні b. Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Саме ця зона на поверхні конкреції і була реакційним фронтом, на якому відбувалися дифузійні обмінні реакції між HCO₃ ‑ (гідрокарбонат, що утворюється при розкладанні органічної речовини, що знаходиться в центрі конкреції і став затравкою) і C^a2 +, проникаючого із зовнішніх порових вод. У міру зростання конкреції в цій зоні йшло утворення і облога карбонату кальцію Ca_CO3 у вигляді кальциту (рис. 3). Ширина L перехідної зони залежить від розміру конкрецій. Для конкрецій з Тесіо, що мають діаметр 1-2 см, вона становить близько 1 мм, для конкрецій з Яцуо розміром 1,5-3 см вона становить 2-3 мм, а для більш великих конкрецій з Мородзаки (розміром 3-7 см) L = 3-6 мм. Розрахунки балансу маси (відношення кількості гідрокарбонату, яке могло утворитися з організмів, що розкладаються, до кальциту), проведені дослідниками, і ізотопні дані ⁽^ 13C) підтверджують припущення про те, що вуглець, зафіксований в карбонатних конкреціях, надходить переважно від розкладання організмів всередині конкрецій. Коли весь цей вуглець витрачається або перестає надходити до перехідної зони, зростання конкреції припиняється.

Ріс. 3. Концептуальна схема освіти сферичних конкрецій. Зі схеми видно, що облога кальциту в реакційній зоні (розташована між вертикальними пунктирними лініями), а отже, і зростання конкреції, триватиме до тих пір, поки не буде витрачено органічне джерело вуглецю в центрі конкреції. Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Наявність чітко вираженого реакційного фронту певної ширини, на якому відбувається осадження кальциту, дозволяє пояснити наявність різких хімічних градієнтів (особливо кальцію), які зустрічаються по краях майже всіх конкрецій, а також постійну концентрацію CaCO₃ і постійну пористість в межах тіла конкреції (їх наявність визначено аналізом тонких зрізів і вимірюванням пористості). Гідрокарбонат (HCO₃ ‑) має вищий коефіцієнт дифузії порівняно з іонами кальцію (C^a2 +), тому саме концентрація H_C^O3 ‑ спільно з пористістю тіла конкреції — визначальні фактори їх росту.

Було встановлено, що важливим фактором обмеження дифузії та уповільнення міграції розчинених речовин від перехідної зони є формування конкрецій в малопроникних тонкозернистих глинистих відкладеннях. У цьому випадку концентрація гідрокарбонату на фронті реакції зростає досить швидко, що викликає швидке осадження карбонату кальцію і утворення конкрецій з різкими кордонами. Як правило, опади такої фації утворюються на глибині в кілька десятків метрів при відсутності сильних придонних течій.

Автори пропонують наступну модель залежності між шириною перехідної зони (L), коефіцієнтом дифузії HCO₃ ‑ (D) і швидкістю зростання конкрецій (V): L = D/V. Перші два параметри можна виміряти експериментально, а швидкість зростання оцінюється виходячи з цієї залежності. Це дозволяє оцінити і час, за який утворюються конкреції: мінімальна можлива швидкість зростання визначає верхню оцінку на тривалість періоду формування.

Наведені дані показують, що сферичні конкреції утворюються дуже швидко — від декількох місяців до декількох років, а не за сотні тисяч і мільйони років, як вважалося раніше. Навіть для утворення гігантських конкрецій потрібно не більше декількох десятиліть. Такий швидкий механізм формування пояснює, чому деякі конкреції містять всередині добре збережені скам’янілості м’яких тканин організмів, які рідко зберігаються за інших умов.

Для підтвердження застосовності своєї гіпотези для всіх сферичних карбонатних конкрецій автори також вивчили конкреції нижньоюрського віку (нижній лейас; см. Lias Group) з графства Дорсет (південна Англія), відомі там як «Coinstones» (камені-монети); так звані керлінгові камені («Curling Stones») нижньоюрського віку (верхній лейас) з північно-східного узбережжя графства Йоркшир (Англія) і валуни Моєракі з Нової Зеландії. Було встановлено, що реакційний фронт на зовнішньому кордоні характерний для всіх карбонатних кулястих конкрецій, що утворюються сингенетично або на самих ранніх стадіях діагенезу при похованні в морських відкладеннях органічних джерел вуглецю. Підтвердилися також і всі виявлені для японських конкрецій залежності. Це дає авторам право заявляти про те, що ними розроблена загальна уніфікована модель умов освіти сферичних карбонатних конкрецій у морських відкладеннях (рис. 4).

Ріс. 4. Загальна уніфікована модель умов освіти сферичних карбонатних конкрецій у морських відкладеннях. На перехресній діаграмі залежності між коефіцієнтом дифузії (D; см²/с) і швидкістю зростання фронту реакції (V; см/с) блакитним кольором виділено вузьке поле ефективних умов освіти сферичних конкрецій. Малюнок з обговорюваної статті в Scientific Reports

Представлений метод також застосовний для оцінки темпів зростання будь-яких (а не тільки карбонатних) сингенетичних конкрецій, які утворилися на найбільш ранніх стадіях діагенезу при дифузійно-контрольованих постачаннях речовини через кордон реакційного фронту.

Джерело: Hidekazu Yoshida, Koshi Yamamoto, Masayo Minami, Nagayoshi Katsuta, Sirono Sin-ichi, Richard Metcalfe. Generalized conditions of spherical carbonate concretion formation around decaying organic matter in early diagenesis // Scientific Reports. 2018. DOI: 10.1038/s41598-018-24205-5.

Владислав Стрекопитов