Даже самые большие сферические конкреции вырастают всего за несколько десятилетий

Валуны Моераки

В морских отложениях встречаются сферические карбонатные конкреции — удивительные объекты округлой формы, достигающие порой гигантских размеров (более двух метров в диаметре). Вид этих почти идеальных по форме и обладающих четкими границами образований наводит на мысль о том, что их, возможно, создали древние цивилизации. Но на самом деле такие конкреции — довольно распространенные природные объекты, общая схема образования которых в целом была понятна и раньше. В недавнем исследовании японским ученым удалось детально разобраться в процессе формирования карбонатных конкреций, а главное — определить, с какой скоростью шел их рост.

Изолированные друг от друга конкреции — чаще всего шарообразные минеральные агрегаты — встречаются по всему миру в морских глинистых осадочных породах разного возраста. Тело конкреции может быть сложено разными минералами: известны, например, кремнистые, пиритовые, фосфоритовые конкреции. Широко распространены карбонатные конкреции. Они сильно обогащены карбонатом кальция по сравнению с вмещающими осадочными породами и часто содержат внутри хорошо сохранившиеся окаменелости. Процесс образования таких конкреций объясняется диффузией и другими быстрыми реакциями с участием органических растворителей и других компонентов поровой воды (воды, находящейся в порах еще не окаменевшего осадка), происходящими одновременно с осаждением вещества на морском дне (то есть сингенетически). Примеры крупных конкреций: знаменитые валуны Моераки и другие сферические валуны на побережье Новой Зеландии, шарообразные камни острова Чамп (архипелаг Земля Франца-Иосифа), шаровидные конкреции в Калифорнии на «пляже шаров для боулинга» (Bowling Balls Beach), в Казахстане (на полуострове Мангышлак и в Прибалхашье), на реке Ижма (приток Печоры) и т. д.

Несмотря на то, что общая схема образования конкреций понятна, остается еще много вопросов. Как быстро они растут? Почему они очень часто обладают правильной сферической формой и четкими границами? Почему осаждение Ca и CO3 и, следовательно, рост конкреций, в определенный момент останавливаются?

Ученые из Нагойского университета в Японии под руководством Хидэкадзу Йосиды (Hidekazu Yoshida) ответили на эти вопросы, математически описав взаимосвязь параметров образования сферических конкреций, процессов переноса массы во вмещающих осадках (осадочной матрице) и темпов роста конкреций. Для этого они разработали метод анализа конкреций с использованием кроссплот-диаграмм (перекрестного графика) скорости диффузии и скорости роста конкреций. С помощью этого метода они проанализировали различные виды сферических конкреций с трех участков в Японии и сравнили их с конкрециями из Англии и Новой Зеландии. Исследование продолжает и обобщает работу этой группы ученых с конкрециями — ранее они обследовали конкреции из одного местонахождения в Японии (H. Yoshida et al., 2015. Early post-mortem formation of carbonate concretions around tusk-shells over week-month timescales). Всего было проанализировано 54 карбонатных конкреции из меловых отложений уезда Тэсио на острове Хоккайдо (Teshio district) и олигоценовых осадков местностей Яцуо (Yatsuo) и Мородзаки (Morozaki) в Центральной Японии. Вмещающие породы во всех случаях имеют морское происхождение и представлены очень тонкозернистыми глинами.

Исследования вещества конкреций проводилось с использованием сканирующей аналитической рентгеновской микроскопии (Scanning X–ray Analytical Microscopy, SXAM). С помощью этого метода определялся профиль распределения кальция (Ca), марганца (Mn) и железа (Fe) между телом конкреции и матрицей вмещающих пород. На профилях SXAM (рис. 2) видно, что весь кальций сосредоточен в теле конкреции, а от вмещающей породы (аргиллита) конкреция отделена четкой границей, вдоль которой расположена переходная зона.

Рис. 2. Карбонатная конкреция во вмещающей матрице аргиллита

Именно эта зона на поверхности конкреции и являлась реакционным фронтом, на котором происходили диффузионные обменные реакции между HCO3 (гидрокарбонат, образующийся при разложении органического вещества, находящегося в центре конкреции и ставшего затравкой) и Са2+, проникающего из внешних поровых вод. По мере роста конкреции в этой зоне шло образование и осаждение карбоната кальция CaCO3 в виде кальцита (рис. 3). Ширина L переходной зоны зависит от размера конкреций. Для конкреций из Тэсио, имеющих диаметр 1–2 см, она составляет около 1 мм, для конкреций из Яцуо размером 1,5–3 см, она составляет 2–3 мм, а для более крупных конкреций из Мородзаки (размером 3–7 см) L = 3–6 мм. Расчеты баланса массы (отношение количества гидрокарбоната, которое могло образоваться из разлагающихся организмов, к получившемуся кальциту), проведенные исследователями, и изотопные данные (δ13C) подтверждают предположение о том, что углерод, зафиксированный в карбонатных конкрециях, поступает преимущественно от разложения организмов внутри конкреций. Когда весь этот углерод расходуется или перестает поступать к переходной зоне, рост конкреции прекращается.

Рис. 3. Концептуальная схема образования сферических конкреций

Наличие четко выраженного реакционного фронта определенной ширины, на котором происходит осаждение кальцита, позволяет объяснить наличие резких химических градиентов (особенно кальция), которые встречаются по краям почти всех конкреций, а также постоянную концентрацию CaCO3 и постоянную пористость в пределах тела конкреции (их наличие определено анализом тонких срезов и измерением пористости). Гидрокарбонат (HCO3) имеет более высокий коэффициент диффузии по сравнению с ионами кальция (Ca2+), поэтому именно концентрация HCO3 совместно с пористостью тела конкреции — определяющие факторы их роста.

Было установлено, что важным фактором ограничения диффузии и замедления миграции растворенных веществ от переходной зоны является формирование конкреций в малопроницаемых тонкозернистых глинистых отложениях. В этом случае концентрация гидрокарбоната на фронте реакции растет достаточно быстро, что вызывает быстрое осаждение карбоната кальция и образование конкреций с резкими границами. Как правило, осадки такой фации образуются на глубине в несколько десятков метров при отсутствии сильных придонных течений.

Авторы предлагают следующую модель зависимости между шириной переходной зоны (L), коэффициентом диффузии HCO3 (D) и скоростью роста конкреций (V): L = D/V. Первые два параметра можно измерить экспериментально, а скорость роста оценивается, исходя из этой зависимости. Это позволяет оценить и время, за которое образуются конкреции: минимальная возможная скорость роста определяет верхнюю оценку на продолжительность периода формирования.

Приведенные данные показывают, что сферические конкреции образуются очень быстро — от нескольких месяцев до нескольких лет, а за не сотни тысяч и миллионы лет, как считалось ранее. Даже для образования гигантских конкреций требуется не более нескольких десятилетий. Такой быстрый механизм формирования объясняет, почему некоторые конкреции содержат внутри хорошо сохранившиеся окаменелости мягких тканей организмов, которые редко сохраняются при других условиях.

Для подтверждения применимости своей гипотезы для всех сферических карбонатных конкреций авторами были также изучены конкреции из Нижнего Лиаса (Дорсет, Англия), известные под местным названием сoinstones (камни-монеты), и валуны Моераки из Новой Зеландии. Было установлено, что реакционный фронт на внешней границе характерен для всех карбонатных шаровидных конкреций, образующихся сингенетически или на самых ранних стадиях диагенеза при захоронении в морских отложениях органических источников углерода. Подтвердились также и все выявленные для японских конкреций зависимости. Это дает авторам право заявлять о том, что ими разработана общая унифицированная модель условий образования сферических карбонатных конкреций в морских отложениях (рис. 4).

Представленный метод также применим для оценки темпов роста любых, а не только карбонатных, сингенетических конкреций, которые образовались на самых ранних стадиях диагенеза при диффузионно-контролируемых поставках вещества через границу реакционного фронта.

Источник: 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 Стрекопытов

Источник