珪化

地質学では、珪化とは、シリカを豊富に含む流体が岩石、木材、骨、貝殻などの地球の物質の空隙に浸透し、元の物質をシリカ (SiO _{2 ) に置き換える}石化プロセスです。シリカは、地球の地殻とマントルを含む有機物と無機物に自然に存在する豊富な化合物です。珪化のメカニズムはさまざまです。木材の珪化では、シリカが木材の道管や細胞壁などの亀裂や空隙に浸透してそれを埋めます。^[1]元の有機物はプロセス全体を通して保持され、時間の経過とともに徐々に分解します。^[2]炭酸塩の珪化では、シリカが炭酸塩を同じ体積だけ置き換えます。^[3]置き換えは、元の岩石鉱物の溶解とシリカの沈殿によって行われます。これにより、元の物質がシステムから除去されます。^{[3] [4]}元の岩石の構造と組成に応じて、シリカは岩石の特定の鉱物成分のみを置き換える場合があります。シリカに富む流体中のケイ酸（H ₄ SiO ₄ ）は、岩石内で成長するレンズ状、結節状、繊維状、または凝集した石英、オパール、または玉髄を形成します。 ^[5]珪化は、岩石または有機物がシリカに富む表層水と接触した場合、堆積物の下に埋もれて地下水の流れの影響を受けやすい場合、または火山灰の下に埋もれた場合に発生します。珪化は多くの場合、熱水プロセスに関連しています。^[1]珪化の温度はさまざまな条件で変動します。埋没水または表層水の条件では、珪化の温度は約25°〜50°ですが、珪質流体包有物の温度は150°〜190°に達することがあります。^{[6] [7]珪化は}堆積時または堆積後の段階で起こり、通常は不整合面や層理面などの堆積の変化を示す層に沿って起こります。^{[5] [8]}

シリカの供給源は、有機シリカと無機シリカの2つのカテゴリーに分けられます。前者は生物起源シリカとも呼ばれ、動物や植物に遍在する物質です。後者は地球の地殻で2番目に豊富な元素です。^[9] ケイ酸塩鉱物は、現在確認されている岩石の95％の主成分です。^[10]

生物起源のシリカは、続成作用におけるシリカの主な供給源です。顕著な例の1つは、イネ科植物やトクサ科植物の葉に含まれる珪酸体中のシリカの存在です。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人もいます。葉に珪酸が存在すると、消化が困難になり、草食動物の適応力が損なわれます。^[11]しかし、動植物の健康に対する珪酸の影響に関する証拠はまだ不十分です。

また、海綿動物は、動物に自然に存在するシリカのもう一つの生物起源源です。分類システムでは海綿動物門に属します。珪質海綿動物は、中国南部の燕家河層など、珪化した堆積層でよく見られます。 [ 12 ]珪化後^に微結晶石英や他の炭酸塩と関連して海綿骨として発生するものもあります。^{[12]また、}チャート層や化石化した木のチャートなどの沈殿層の主な供給源である可能性もあります。^[12]

海洋環境に生息する重要な微細藻類のグループである珪藻類は、続成作用によるシリカの供給源として大きく貢献しています。珪藻類の細胞壁はシリカでできており、珪藻被殻としても知られています。^[13]一部の珪化堆積岩では、珪藻の化石が発掘されています。これは、珪藻被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した石灰岩、チリのエル・タティオ間欠泉フィールドの珪化したイグニンブライト、西太平洋深海掘削孔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のシリカが存在することで、海洋を通じて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。そのため、深海堆積物のシリカの湧昇が活発な地域ではシリカ含有量が高くなります。さらに、浅い海洋環境に堆積した炭酸塩の貝殻は、大陸棚地域のシリカ含有量を豊かにします。^[16]

地球の上部マントルの主成分はシリカ（SiO ₂）で、熱水流体中のシリカの主な供給源となっている。SiO ₂は安定した成分で、火山岩中に石英として現れることが多い。既存の岩石に由来する石英の中には、海水と反応して珪質流体を生成する砂や砕屑石英の形で現れるものもある。 ^[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、近くの物質を珪化させる。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珪酸の形でシリカが放出される。^[12]風化した岩石からのシリカは水に流され、浅い海洋環境に堆積する。^[17]

熱水流体の存在は、珪化過程における地球化学反応の媒体として不可欠です。異なる物質の珪化には、異なるメカニズムが関与しています。炭酸塩のような岩石物質の珪化では、熱水変質による鉱物の置換が一般的ですが、木材などの有機物質の珪化は、浸透のプロセスのみです。^{[17] [18]}

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^[18]

2) シリカの沈殿^[18]

これは炭酸塩とシリカの置換によって説明できる。熱水は炭酸塩では不飽和、シリカでは過飽和である。炭酸塩岩が熱水と接触すると、勾配の違いにより、元の岩石の炭酸塩は流体に溶解し、シリカは沈殿する。^[18]溶解した炭酸塩はシステムから引き出され、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​​く依存する^[3]。ここでpH9が制御値である。^[18] 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非常に溶解しやすくなる。^[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。流体からシリカが沈殿すると、特に細胞壁の空隙内にシリカが沈着します。^{[1] [19]}細胞材料は流体によって分解されますが、鉱物の発達により構造は安定しています。細胞構造はゆっくりとシリカに置き換えられます。珪質流体の継続的な浸透により、一次および二次の異なる段階の珪化が起こります。時間の経過とともに流体が失われると、後からシリカが添加されて珪化木材がセメント化されます。^[21]

珪化の速度はいくつかの要因によって決まります。

1) 元の細胞の破壊率^[21]

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) 他の続成作用への干渉^{[3] [22]}

これらの要因は、さまざまな方法で珪化プロセスに影響を及ぼします。元の細胞の破壊速度は、鉱物フレームワークの発達、つまりシリカの置き換えを制御します。^[21]シリカの利用可能性は、流体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、珪化が速く起こります。^[1]同じ概念が熱水流体の利用可能性にも当てはまります。環境の温度と pH が珪化が起こる条件を決定します。^{[3] [22]}これは、埋没深度または火山活動との関連に密接に関連しています。他の続成作用の干渉は、珪化を妨害する場合があります。他の地質学的プロセスに対する珪化の相対的な時間は、さらなる地質学的解釈の基準として役立つ可能性があります。^{[1] [19] [21] [22]}

カナダ南東海岸のニューファンドランドにある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連なる一連の火山岩が珪化している。岩石は主に流紋岩と玄武岩の流れで構成され、結晶凝灰岩と角礫岩が交互に重なっている。地域的な珪化は、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。^[23]この地域のシリカの供給源は、静的条件下の流紋岩の流れからの高温の珪質流体であった。^[23]シリカの大部分は、白色カルセドニック石英、石英脈、粒状石英結晶の形で現れた。^[23]岩石構造の違いにより、シリカは近くの岩石で異なる物質を置換する。次の表は、さまざまな場所でのシリカの置換を示している。^[23]

アラブ首長国連邦のオマーンにあるセマイル・ナップでは、珪化した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た擬似変質である。 [ ^{24 ]}地殻変動により、基底の蛇紋岩が破壊され、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を形成した。 [24]熱水溶解により、蛇紋岩の空隙の周りにシリカが沈殿し、結晶化した。^[25]そのため、珪化は地下水の経路に沿ってのみ見られる。^[25]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。^{[24] [25]}

珪化炭酸塩は、珪化炭酸塩岩層として現れることもあれば、^[3]珪化カルストの形で現れることもある。スペイン中部の古第三紀マドリード盆地は、アルプス隆起によって生じた前地盆地で、岩層中の珪化炭酸塩の例である。岩相は、湖沼環境で形成された炭酸塩と堆積岩の単位からなる。岩石単位は、チャート、石英、乳白色の鉱物が層中に見られる場所で珪化している。^[26]これは、同様の年代の下にある蒸発岩層と一致している。岩層内には2段階の珪化があったことが判明している。^[26]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た。シリカの供給源はまだ不明である。^[26]炭酸塩からは生物起源のシリカは検出されていない。しかし、炭酸塩の中に微生物の膜が発見されており、珪藻類の存在を示唆している可能性がある。^[26]

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、これらの排水で溶解します。珪質流体が断層や亀裂を通じてカルストに流入すると、珪化カルストと洞窟堆積物が形成されます。^[17]アリゾナ州中央部のアパッチ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、初期の続成作用でチャートに置き換えられ、残りの部分は後期に完全に珪化します。^[17]炭酸塩中のシリカの供給源は通常、生物起源のシリカの存在に関連していますが、メスカル石灰岩のシリカの供給源は、シリカ含有量の高い噴出火成岩である上部の玄武岩の風化によるものです。[ 17 ^]

木材の珪化は通常、陸上で起こりますが、水生環境で起こることもあります。^[19]表層の水の珪化は、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。中央日本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。シリカは流体から急速に沈殿し、オパールがシリカの主な形態です。^[18]温度が約70°C、pH値が約3の場合、堆積したオパールは、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。^[18]

冥王代から始生代への移行期である約39億年前、苦鉄質マグマが海底を支配していた。 ^[27]急速な珪化により、珪長質大陸地殻が形成され始めた。^[28 ]始生代には、大陸地殻はトーナル岩、トロンジェーム岩、花崗閃緑岩（TTG）と花崗岩、モンゾニ岩、閃長岩の岩石群で構成されていた。^[28]

西オーストラリア州ピルバラクラトンのゴールドスワーシー山には、始生代の砕屑性変堆積岩層を伴う最も古い珪化の例の 1 つがあり、珪化と熱水変質の証拠によって初期の地球の表層環境が明らかになっています。発掘された岩石は、鉱物組成の点では SiO2 が優勢であることがわかりました。^[8]この層は、低温での海水との熱水反応により、高度に珪化されました。^[8]珪化の過程で、岩石片は微結晶質石英に置き換わり、原岩は変化しました。^[8]珪化の状態と存在していた元素から、堆積時と堆積後のいずれか、または両方で表面温度と二酸化炭素含有量が高かったことが示唆されました。^[8]

南アフリカのバーバートン緑色岩帯、具体的にはおよそ35〜32億年前のエスワティニ累層群は、保存状態の良い珪化した火山堆積岩群である。超塩基性から珪長質までの組成を持つ珪化した火山岩は、層状チャート層の真下にある。岩石は層状チャートとの接触部付近でより珪化しており、チャートの堆積と珪化の間に関係があることを示唆している。^[29]珪素変質帯は、海水循環と同様に、熱水活動が層状チャートの堆積中に亀裂や断層を通じて岩層を活発に循環していることを明らかにしている。 ^[30]海水は加熱されたため、火山起源の下にある珪質物質を拾い上げた。珪素を豊富に含む流体は、低温条件下での堆積同時段階で多孔質物質に浸透することにより、岩石の珪化を引き起こす。^{[30] [31]}

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• シリカサイクル