Selbst die größten kugelförmigen Knötchen wachsen in nur wenigen Jahrzehnten • Vladislav Strekopytov • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Mineralogie, Geochemie

Selbst die größten kugelförmigen Knötchen wachsen in nur wenigen Jahrzehnten.

Abb. 1. Moeraki-Blöcke in Neuseeland sind riesige Karbonatknollen, die vor etwa 50 Millionen Jahren in Meeresschlicksediment gebildet wurden. Die Ergebnisse der Studie, die im Folgenden diskutiert werden, zeigen, dass selbst solche riesigen Knötchen sehr schnell entstanden sind – innerhalb weniger Jahrzehnte. Foto aus der Pressemitteilung der Universität Nagoya

In marinen Sedimenten gibt es kugelförmige Karbonatknoten – erstaunliche runde Objekte, die manchmal gigantische Größen (mehr als zwei Meter im Durchmesser) erreichen. Das Aussehen dieser fast idealen Form und die klaren Grenzen der Formationen deuten darauf hin, dass sie möglicherweise von alten Zivilisationen geschaffen wurden. Aber solche Knoten sind in der Tat ganz gewöhnliche Naturobjekte, deren allgemeines Schema der Bildung als Ganzes vorher verständlich war. In einer neuen Studie konnten japanische Wissenschaftler den Prozess der Bildung von Karbonatknötchen im Detail verstehen und vor allem die Geschwindigkeit, mit der sie wachsen, bestimmen.

Isolierte Knötchen – meist sphärische Mineralaggregate – finden sich weltweit in marinen tonhaltigen Sedimentgesteinen unterschiedlichen Alters.Der Körper des Knotens kann mit verschiedenen Mineralien gefaltet sein: zum Beispiel sind Kieselsäure-, Pyrit-, Phosphoritknötchen bekannt. Carbonatknötchen sind weit verbreitet. Sie sind im Vergleich zu umhüllenden Sedimentgesteinen stark mit Calciumcarbonat angereichert und enthalten oft gut erhaltene Fossilien. Der Prozess der Bildung solcher Knötchen beruht auf Diffusion und anderen schnellen Reaktionen, die organische Lösungsmittel und andere Komponenten von Porenwasser (Wasser in den Poren des noch nicht ausgehärteten Sediments) umfassen, die gleichzeitig mit der Ablagerung der Substanz auf dem Meeresboden (d. H. Syngenetisch) auftreten. Beispiele für große Knollen: die berühmten Moeraki Felsbrocken und andere kugelförmige Felsbrocken an der Küste von Neuseeland, die kugelförmigen Steine ​​der Insel Champ (Franz Josef Land Archipelago), kugelförmige Knollen in Kalifornien am Strand von Bowlingkugeln (Bowling Balls Beach), in Kasachstan (auf der Halbinsel Mangyshlak und in Balkasch), am Fluss Ischma (Nebenfluss der Petschora) usw.

Knötchen sind kugelförmige Mineralkörper (obwohl manchmal längliche und unregelmäßig geformte Knötchen gefunden werden), die meistens in porösen Sedimentgesteinen gebildet werden.Die Bildung von Knötchen erfolgt entweder durch Diffusion chemischer Substanzen zu den Primern, die diesen Prozess aktivieren, durch Bildung kolloidaler Protoconcretion im marinen Sediment und dessen nachfolgende Kristallisation oder durch das Wachstum von Mineralaggregaten um den Seed-Kern herum (dies tritt gewöhnlich auf, wenn Knötchen in den Hohlräumen entstehen). .

Die Samen, die um die Ablagerung eines Minerals herum beginnen, können organische Rückstände, kohlenstoffhaltige Substanzen oder Anhäufungen von Mineralien einer anderen Zusammensetzung sein. So finden sich im Inneren des Knotens Fossilien, zum Beispiel die Schalen alter Mollusken. Neben der Tatsache, dass die Karbonathüllen selbst grundieren, tritt in diesem Fall die schnelle Bildung von Karbonatknötchen aufgrund der Zersetzung von organischem Material auf, was eine Erhöhung der Alkalinität (eine Erhöhung des pH-Werts) bewirkt.

Dieser riesige Konkretion, der auf der Mangyshlak-Halbinsel gefunden wurde, ist um eine Ammonitenschale gewachsen. Foto von mindraw.web.ru

Günstige Bedingungen für die Bildung von Knoten werden durch folgende Faktoren bestimmt:
1) das Vorhandensein lokaler Anhäufungen von frischem organischem Material auf dem Meeresboden;
2) ausreichend hohe Sedimentationsraten von überwiegend dünnen, tonaleutischen Schluffen;
3) das Fehlen einer intensiven Vermischung, die die Erhaltung der Weichgewebe von Organismen verhindert, um die ein Knoten wachsen kann.

Obwohl das allgemeine Muster der Knotenbildung klar ist, bleiben viele Fragen offen. Wie schnell wachsen sie? Warum haben sie oft die richtige Kugelform und klare Grenzen? Warum Ca und CO-Abscheidung3 und deshalb das Wachstum von Knötchen, an einem bestimmten Punkt zu stoppen?

Wissenschaftler der Universität von Nagoya in Japan, angeführt von Hidekazu Yoshida, beantworteten diese Fragen, indem sie mathematisch den Zusammenhang zwischen den Parametern der Bildung von kugelförmigen Knötchen, Stoffübertragungsprozessen in den Wirtssedimenten (Sedimentmatrix) und Knötchenwachstumsraten beschrieben. Zu diesem Zweck entwickelten sie eine Methode zur Analyse von Knoten mit Hilfe von Crossplot-Diagrammen (cross-graph) von Diffusionsrate und Knotenwachstumsrate. Mit dieser Methode analysierten sie verschiedene Arten von kugelförmigen Knötchen von drei Standorten in Japan und verglichen sie mit Knötchen aus England und Neuseeland.Die Studie fährt fort und fasst die Arbeit dieser Gruppe von Wissenschaftlern mit Knötchen zusammen – sie haben zuvor Knoten von einem einzigen Ort in Japan befragt (H. Yoshida et al., 2015). Insgesamt wurden 54 Karbonatknollen aus den Kreidevorkommen des Tesio-Bezirks auf der Insel Hokkaido (Teshio-Gebiet) und oligozänen Sedimenten der Gebiete Yatsuo (Yatsuo) und Morozaki (Morozaki) in Zentraljapan analysiert. Die Wirtsgesteine ​​sind in allen Fällen marinen Ursprungs und werden durch sehr feinkörnige Tone repräsentiert.

Untersuchungen der Substanzknötchen wurden mittels rasteranalytischer Röntgenmikroskopie (Scanning X-ray Analytical Microscopy, SXAM) durchgeführt. Diese Methode wurde verwendet, um das Verteilungsprofil von Calcium (Ca), Mangan (Mn) und Eisen (Fe) zwischen dem Knollenkörper und der Wirtgesteinsmatrix zu bestimmen. Die SXAM-Profile (Abb. 2) zeigen, dass das gesamte Kalzium im Knollenkörper konzentriert ist und der Knoten durch eine klare Grenze, um die sich die Übergangszone befindet, vom umschließenden Gestein (Tonstein) getrennt ist.

Abb. 2 Karbonatknoten in der Argillit-Wirtsmatrix (a) und die Ergebnisse seiner Forschung mit der SXAM-Methode: die Verteilung von Calcium (Ca), Mangan (Mn) und Eisen (Fe) am Schnitt. Eine Konkretion bildet sich um die Garnelenklauen der Gattung Callianassa (in der Mitte; die Größe der Klaue beträgt normalerweise 3-7 cm). e – Profil der Veränderungen der Kalziumkonzentration entlang weiße gepunktete Linie auf dem Bild b. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaftliche Berichte

Es ist diese Zone auf der Oberfläche des Knotens, die die Reaktionsfront war, an der Diffusionsaustauschreaktionen zwischen HCO auftraten.3 (Bikarbonat, das während der Zersetzung von organischem Material gebildet wird, das sich in der Mitte des Knotens befindet und das zum Samen wurde) und Ca2+von äußeren Porenwässern eindringen. Wenn Knollen in dieser Zone wachsen, wird Calciumcarbonat CaCO gebildet und ausgefällt3 in Form von Calcit (Abb. 3). Die Breite L der Übergangszone hängt von der Größe der Knoten ab. Für Knollen von Tesio, mit einem Durchmesser von 1-2 cm, ist es etwa 1 mm, für Knoten von Yatsuo mit einer Größe von 1,5-3 cm ist es 2-3 mm, und für größere Knötchen von Morodzaki (3-7 cm groß) ) L = 3-6 mm. Berechnungen der Massenbilanz (das Verhältnis der Menge an Bicarbonat, das aus zerfallenden Organismen gebildet werden konnte, zum resultierenden Calcit), die von den Forschern durchgeführt wurden, und Isotopendaten (δ13C) bestätigen die Annahme, dass Kohlenstoff in Karbonatknoten fixiert ist,kommt hauptsächlich von der Zersetzung von Organismen in Knötchen. Wenn all dieser Kohlenstoff verbraucht ist oder nicht mehr in die Übergangszone fließt, stoppt das Wachstum des Knotens.

Abb. 3 Konzeptionsschema für die Bildung von kugelförmigen Knötchen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Ausfällung von Calcit in der Reaktionszone (zwischen vertikale gestrichelte Linienund folglich wird das Wachstum von Knoten fortgesetzt, bis die organische Kohlenstoffquelle im Knotenzentrum verbraucht ist. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaftliche Berichte

Das Vorhandensein einer klar definierten Reaktionsfront mit einer bestimmten Breite, an der Calcit ausfällt, ermöglicht es, das Vorhandensein scharfer chemischer Gradienten (insbesondere Calcium), die sich entlang der Kanten fast aller Knötchen befinden, sowie eine konstante CaCO-Konzentration zu erklären3 und konstante Porosität innerhalb des Knotenkörpers (ihre Anwesenheit wird durch die Analyse von Dünnschnitten und Messung der Porosität bestimmt). Kohlenwasserstoff (HCO3) hat einen höheren Diffusionskoeffizienten im Vergleich zu Calciumionen (Ca2+), deshalb ist es die Konzentration von HCO3 zusammen mit der Porosität der Körperknötchen – die bestimmenden Faktoren ihres Wachstums.

Es wurde gefunden, dass ein wichtiger Faktor bei der Begrenzung der Diffusion und der Verlangsamung der Wanderung von gelösten Stoffen aus der Übergangszone die Bildung von Knötchen in feinperligen Ton-Sedimenten mit geringer Durchlässigkeit ist. In diesem Fall wächst die Konzentration von Bicarbonat an der Reaktionsfront ziemlich schnell, was eine schnelle Ausfällung von Calciumcarbonat und die Bildung von Knötchen mit scharfen Grenzen bewirkt. In der Regel bilden sich Sedimente einer solchen Fazies in Abwesenheit von starken Bodenströmungen in einer Tiefe von einigen zehn Metern.

Die Autoren schlagen das folgende Modell der Abhängigkeit zwischen der Breite der Übergangszone (L), dem Diffusionskoeffizienten HCO vor3 (D) und die Wachstumsrate von Knötchen (V): L = D / V. Die ersten beiden Parameter können experimentell gemessen werden, und die Wachstumsrate wird basierend auf dieser Abhängigkeit geschätzt. Dies ermöglicht es, die Zeit zu schätzen, über die Knötchen gebildet werden: Die minimal mögliche Wachstumsrate bestimmt die obere Schätzung für die Dauer der Bildungsperiode.

Die Daten zeigen, dass kugelförmige Knötchen sehr schnell gebildet werden – von einigen Monaten bis zu mehreren Jahren, und nicht, wie bisher angenommen, Hunderttausende und Millionen von Jahren. Selbst für die Bildung von Riesenknötchen braucht es nicht mehr als ein paar Jahrzehnte.Dieser schnelle Bildungsmechanismus erklärt, warum einige Knötchen im Inneren gut erhaltene Fossilien von Weichgewebe von Organismen enthalten, die unter anderen Bedingungen selten erhalten sind.

Um die Anwendbarkeit ihrer Hypothese für alle kugelförmigen Karbonatknollen zu bestätigen, untersuchten die Autoren auch Niederjura-Knoten (untere Llaas; siehe Lias-Gruppe) aus Dorset (Südengland), die dort als "Coinstones" (Steine-Münzen) bekannt sind; Die sogenannten Curling-Steine ​​des Unteren Jura (obere Leyas) von der Nordostküste von Yorkshire County (England) und Moeraki Boulders aus Neuseeland. Es wurde festgestellt, dass die Reaktionsfront an der äußeren Grenze charakteristisch für alle Karbonatkugelknoten ist, die syngenisch oder in den frühesten Stadien der Diagenese gebildet werden, wenn sie in marinen Sedimenten organischer Kohlenstoffquellen vergraben sind. Alle für japanische Knoten identifizierten Abhängigkeiten wurden ebenfalls bestätigt. Dies gibt den Autoren das Recht zu erklären, dass sie ein allgemeines einheitliches Modell der Bedingungen für die Bildung von kugelförmigen Karbonatknollen in marinen Sedimenten entwickelt haben (Abb. 4).

Abb. 4 Allgemeines einheitliches Modell der Bedingungen für die Bildung von kugelförmigen Karbonatknoten in marinen Sedimenten. In einem Querschnittsdiagramm der Beziehung zwischen dem Diffusionskoeffizienten (D; cm2/ s) und die Wachstumsrate der Reaktionsfront (V; cm / s) in blau Ein enges Feld von effektiven Bedingungen für die Bildung von kugelförmigen Knötchen wird hervorgehoben. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaftliche Berichte

Das vorgestellte Verfahren ist auch anwendbar für die Schätzung der Wachstumsraten von irgendwelchen und nicht nur von Carbonat-syngenen Knötchen, die in den frühesten Stadien der Diagenese während der diffusionskontrollierten Zufuhr der Substanz über die Reaktionsfront gebildet wurden.

Quelle: Hidekazu Yoshida, Koshi Yamamoto, Masayo Minami, Nagayoshi Katsuta, Sirono Sin-ichi, Richard Metcalfe. Generalisierte Bedingungen der sphärischen Carbonatbildung Wissenschaftliche Berichte. 2018. DOI: 10.1038 / s41598-018-24205-5.

Vladislav Strekopytov


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