珪化作用

生物起源シリカは、続成作用におけるシリカの主要な供給源である。顕著な例の1つは、イネ科植物やトクサ科植物などの植物の葉に含まれる植物珪酸体中のシリカの存在である。植物珪酸体中に存在するシリカは、草食動物に対する防御機構として機能する可能性があると示唆する研究者もいる。葉にシリカが存在すると消化が困難になり、草食動物の適応度が低下する。^{[ 11 ]}しかし、シリカが動物や植物の健康に及ぼす影響に関する証拠はまだ不十分である。

さらに、海綿動物は、動物における天然シリカのもう一つの生物起源源です。分類体系では、海綿動物門 に属します。珪質海綿は、例えば中国南部の燕家河層のように、珪化堆積層とともによく見られます。 ^{[ 12 ]}それらのいくつかは海綿骨片として存在し、珪化後に微結晶石英や他の炭酸塩と関連しています。^{[ 12 ]}また、チャート層や珪化木中のチャートなどの沈殿層の主な供給源となる可能性もあります。^{[ 12 ]}

珪藻は、海洋環境に生息する重要な微細藻類のグループであり、続成シリカの供給源に大きく貢献しています。珪藻の細胞壁はシリカでできており、珪藻殻としても知られています。^{[ 13 ]}珪化堆積岩の中には、珪藻の化石が発掘されているものがあります。これは、珪藻殻が珪化のためのシリカの供給源であったことを示唆しています。^{[ 13 ]}例としては、ワシントン州の中新世アストリア層の珪化石灰岩、チリのエル・タティオ間欠泉地帯の珪化火砕流、西太平洋深海掘削の第三紀珪質堆積岩などがあります。 ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}さまざまな種に生物起源シリカが存在することで、海洋全体にシリカを循環させる大規模な海洋シリカサイクルが形成されます。したがって、深海堆積物中の活発なシリカ湧昇域ではシリカ含有量が高い。さらに、浅海環境で堆積した炭酸塩貝殻は大陸棚域のシリカ含有量を増加させる。^{[ 16 ]}

地球の上部マントルの主要成分はシリカ（SiO₂）であり_、これが熱水流体中のシリカの主要な供給源となっています。SiO₂_は安定した成分です。火山岩では石英として存在することが多いです。既存の岩石から由来する石英の一部は、砂や砕屑性石英の形で存在し、海水と相互作用して珪質流体を生成します。^{[ 12 ]}場合によっては、珪質岩中のシリカが熱水変質を受け、特定の温度で海水と反応して酸性溶液を形成し、近くの物質の珪化を引き起こします。岩石サイクルでは、岩石の化学的風化によっても副産物としてケイ酸の形でシリカが放出されます。^{[ 12 ]}風化した岩石からのシリカは水に洗い流され、浅海環境に堆積します。^{[ 17 ]}

シリカの置換には2つのプロセスが含まれます。

1) 岩石鉱物の溶解^{[ 1 ]}

2) シリカの沈殿^{[ 1 ]}

これは炭酸塩-シリカ置換によって説明できる。熱水流体は炭酸塩に対して不飽和であり、シリカに対して過飽和である。炭酸塩岩が熱水流体と接触すると、勾配の違いにより、元の岩石の炭酸塩は流体に溶解し、シリカは流体から沈殿する。^{[ 1 ]}そのため、溶解した炭酸塩はシステムから引き抜かれ、沈殿したシリカはシリカ相に応じてさまざまなケイ酸塩鉱物に再結晶する。^{[ 17 ]}シリカの溶解度は環境の温度とpH値に大き​​く依存し^{[ 3 ]、} pH9が制御値である。^{[ 1 ]} pHが9未満の条件下では、シリカは流体から沈殿し、pH値が9を超えると、シリカは高度に溶解する。^{[ 3 ]}

木材の珪化では、シリカが熱水流体に溶解し、細胞壁のリグニンに浸透します。流体からのシリカの沈殿により、特に細胞壁内の空隙にシリカが沈着します。^{[ 1 ] [ 18 ]}細胞物質は流体によって分解されますが、鉱物の生成により構造は安定しています。細胞構造は徐々にシリカに置き換えられます。シリカ流体の継続的な浸透により、一次珪化と二次珪化という異なる段階が生じます。時間の経過とともに流体が失われると、後期のシリカ添加により珪化木材のセメント化が起こります。^{[ 20 ]}

珪化の速度はいくつかの要因によって左右される。

1) 元の細胞の破壊率^{[ 20 ]}

2) シリカ源の入手可能性と流体中のシリカ含有量^{[ 1 ] [ 3 ]}

3) 珪化環境の温度とpH ^{[ 1 ] [ 3 ]}

4) 他の続成作用の干渉^{[ 3 ] [ 21 ]}

これらの要因は、珪化プロセスにさまざまな形で影響を及ぼします。元の細胞の破壊速度は、鉱物骨格の発達を制御し、したがってシリカの置換を左右します。^{[ 20 ]}シリカの存在量は、流体中のシリカ含有量を直接決定します。シリカ含有量が高いほど、珪化はより速く進行する可能性があります。^{[ 1 ]}同じ概念は、熱水流体の存在量にも当てはまります。環境の温度とpHは、珪化が発生する条件を決定します。^{[ 3 ] [ 21 ]}これは、埋没深度または火山活動との関連に密接に関係しています。他の続成作用の干渉は、珪化に妨害を引き起こすことがあります。珪化と他の地質学的プロセスの相対的な時間は、さらなる地質学的解釈の基準として役立ちます。^{[ 1 ] [ 18 ] [ 20 ] [ 21 ]}

カナダ南東海岸のニューファンドランドのコンセプション湾では、先カンブリア紀からカンブリア紀に関連する一連の火山岩が珪化作用を受けた。岩石は主に流紋岩質および玄武岩質の溶岩流からなり、結晶質凝灰岩と角礫岩が挟まれている。地域的な珪化作用は、他の地球化学的プロセスが発生する前の予備的な変質プロセスとして起こった。^{[ 22 ]}この地域付近のシリカの供給源は、静止状態にある流紋岩質溶岩流からの高温の珪質流体であった。^{[ 22 ]}シリカの大部分は、白色の玉髄質石英、石英脈、および粒状石英結晶の形で現れた。^{[ 22 ]}岩石構造の違いにより、シリカは近接する岩石中の異なる物質を置換する。次の表は、異なる場所でのシリカの置換を示している。^{[ 22 ]}

アラブ首長国連邦のオマーンのセマイルナップでは、珪化蛇紋岩が発見された。このような地質学的特徴の発生は、かなり珍しい。これは、蛇紋岩の原岩がすでに珪化していた仮像変質である。^{[ 23 ]}地殻変動により、基底蛇紋岩が破砕され、断層に沿って地下水が浸透し、地層内に大規模な地下水循環が形成された。^{[ 23 ]}熱水溶解により、シリカが沈殿し、蛇紋岩の空隙の周囲で結晶化した。^{[ 24 ]}そのため、珪化は地下水経路に沿ってのみ見られる。^{[ 24 ]}蛇紋岩の珪化は、地下水の流れと二酸化炭素濃度が低い条件下で形成された。^{[ 23 ] [ 24 ]}

珪化炭酸塩は、珪化炭酸塩岩層として^{[ 3 ]}、または珪化カルストの形で現れることがあります。スペイン中央部の古第三紀マドリード盆地は、アルプスの隆起によって形成された前地盆地であり、岩層中の珪化炭酸塩の例です。岩相は、湖沼環境で形成された炭酸塩と砕屑物のユニットで構成されています。岩石ユニットは、層中にチャート、石英、オパール鉱物が見られる場所で珪化しています。^{[ 25 ]}これは、同様の年代の下位の蒸発岩層と整合しています。岩層内には2段階の珪化があったことがわかっています。^{[ 25 ]}珪化の初期段階は、シリカの沈殿に適した条件と場所を提供しました。シリカの起源はまだ不明です。^{[ 25 ]}炭酸塩からは生物起源のシリカは検出されていません。しかし、炭酸塩中に微生物膜が発見されており、これは珪藻の存在を示唆している可能性がある。^{[ 25 ]}

カルストは、石灰岩やドロマイトなどの炭酸塩岩の溶解によって形成された炭酸塩洞窟です。通常、カルストは地下水の影響を受けやすく、これらの排水によって溶解されます。珪化カルストと洞窟堆積物は、珪質流体が断層や亀裂を通ってカルストに流入したときに形成されます。^{[ 17 ]}アリゾナ州中央部のアパッチ層群の中期原生代メスカル石灰岩は、珪化カルストの典型的な例です。炭酸塩の一部は初期続成作用でチャートに置き換わり、残りの部分は後の段階で完全に珪化されます。^{[ 17 ]}炭酸塩中のシリカの起源は通常、生物起源シリカの存在と関連付けられますが、メスカル石灰岩のシリカの起源は、シリカ含有量の高い噴出火成岩である上層の玄武岩の風化によるものです。^{[ 17 ]}

木材の珪化は通常、陸上環境で起こりますが、水生環境でも起こることがあります。^{[ 18 ]}地表水の珪化は、シリカが豊富な温泉でのシリカの沈殿によって起こります。日本の中心部の北海岸にある立山温泉はシリカ含有量が高く、近くの倒木や有機物の珪化に寄与しています。シリカは液体から急速に沈殿し、オパールがシリカの主な形態です。^{[ 1 ]}温度が約70  ℃、pH値が約3の場合、沈殿したオパールは、ランダムに配置されたさまざまなサイズのシリカ球で構成されています。^{[ 1 ]}