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.

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⁺

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 Paraíba 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.

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.

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 химический состав тоже бывает разный. Кроме уже упоминавшихся железомарганцевых бывают, например, конкреции кремнезема, состоящие в основном из SiO₂, и карбонатные конкреции, сложенные сидеритом (FeCO₃) или кальцитом (CaCO₃).

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); B–D — кольца Лизеганга в девонских породах Антиатласа (Марокко); E–F — 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.

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. A–B — образец Dorateuthis syriaca из мела Ливана; С–D — 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