Каменные деревья или не слишком молодые леса

Здравствуйте, уважаемые читатели. В продолжении темы деревянных гор на острове Новая Сибирь поговорим о селикагеле. В таком начале разговора нет ничего удивительного, ибо селикагель в природном виде содержится в частях растений. Говоря простым языком, селикагель - кремниевый гель, образующийся в листьях и траве между живыми клетками. Образуется гель из перенасыщенных растворов кремниевых кислот (nSiO2·mH2O) при pH > 5—.

Откуда берётся кремний в растениях? Из почвы. Кремний Si по распространённости в земной коре после кислорода занимает второе место. И он, естественно, включается в обменные процессы многих живых организмов. Он образует твёрдые образования в тканях растений, благодаря чему травы могут подниматься над почвой. Из кремния состоят и жалящие иглы крапивы (кремнезёмистая трубочка на кальциевом основании). Много кремния содержит хвощ, которым даже можно пользоваться вместо мочалки при мытье посуды. Кремнезёмные отложения в растениях встречаются обычно в виде фитолитов - частиц характерной формы.

табашир - бамбуковый опал

В полостях бамбукового стебля обнаруживают скопления селикагеля. Он содержит некоторое количество органики, в том числе сахара (потому его называют также бамбуковым сахаром). Этот студенистый или отвердевший продукт известен, как  табашир.  В восточных странах его даже использовали как лечебное средство. 99.9% всей содержащейся в нём неорганики - кремнезём.

Тропические деревья обладают большей способностью насыщаться кремнезёмом, потому их древесина более тяжёлая и пилы быстрее затупляются. Некоторые растения из-за кремния не по зубам точильщикам. Но хватит интересностей. Главное для нас то, что растения способны ещё в процессе жизнедеятельности накапливать кремний. (желающие могут почерпнуть интересные сведения из книги Р. Айлера).

Jasper forest

Переходим к нашим окаменевшим деревьям поближе. Это схема образования структуры сложения пород в Национальном парке Аризонны.

Все представленные осадочные слои были изучены и описаны геологами. Есть слои, содержащие морскую более глубоководную фауну, есть слои с фауной мелководья, есть - содержащие окаменевший лес. По сложению была изучена история формации, определены условия образования каждого из слоёв. Об этом можно причитать в научных работах, например, тут.

В очень отдалённых временах эта территория была морским дном, за время существования моря накопился более, чем километровый слой осадков. Потом это дно поднялось (в результате тектонической деятельности) и оказалось на высоте около 3 км над уровнем моря. В результате эрозии слои причудливо обнажились, и взору наблюдателя теперь представляется удивительная картина.

Эта картина чудна уже сама по себе. Но ещё более интересной она становится из-за обнажившихся окаменевших деревьев - остатков древних лесов.

Нужно отметить, что древние деревья (те, что на поверхности) находятся, в основном, в верхних напластованиях формации (это видно на фотосхеме В в правом верхнем углу). Обнажаясь при эрозии склонов, они скатываются вниз и скапливаются в ложбинах.

Оставим пока вопрос о том, как деревья попадали под воду и землю, обратимся к процессам преобразования живой плоти в окаменевшую.

Форм существования кремния в природе очень много. Это, например, кварц, горный хрусталь, фиолетовая разновидность кварца - аметист, агат (ещё одна разновидность кварца)- модификация диоксида кремния SiO2

Опал - аморфный кремнезём или гидрат диоксида кремния SiO2·nH2O

Яшма сложена в основном кварцем и халцдоном.

Кремнезём (большая часть песка).

В воде кремнезём в основном бывает растворён и находится в виде коллоидов. Каждая из форм осаждается на твёрдых поверхностях по-разному. Много попадает его в воду после извержения вулканов. Скорее всего, в природе из пересыщенного раствора, например, минеральных източников, сначала осаждался аморфный кремнезём, потом образовывался халцедон (форма кварца волокнистая, очень тонкозернистая), затем - мельчайшие кристаллики кварца. По крайней мере, по наблюдениям учёных:

"Осаждение коллоидных частиц значительно ускоряется, а отложения становятся гораздо более плотными и прочными, когда наряду с коллоидными частицами осаждается растворимый кремнезем. В некоторых видах горячих источников вода содержит растворимый кремнезем, находящийся в равновесии с коллоидным кремнеземом и какими-либо растворимыми солями. При охлаждении такого раствора на твердых поверхностях осаждаются коллоидные частицы. Одновременно охлажденный раствор становится пересыщенным по отношению к растворимому кремнезему, который затем отлагается на слое уже осажденных коллоидных частиц, связывая их вместе."

Окремнение биогенных материалов

Наши познания о жизненных формах в далеком прошлом основаны на изучении образцов, сохранившихся в виде кремнеземных псевдоморфоз. Наиболее известными из них являются окаменелые деревья. Но еще более фундаментально важным представляются открытые Баргхорном и Шопфом превратившиеся в окаменелость микроорганизмы, возраст которых достигает 3 миллиардов лет. Эти микроорганизмы были, очевидно, покрыты слоем аморфного кремнезема, затем позднее пропитаны и окружены со всех сторон таким же кремнеземом, который еще позднее превратился в очень тонкозернистый черный шерт (субмикроскопический кварц), сохранивший форму ните-подобных водорослей и похожих на бактерии организмов. Отмечается, что в них все еще присутствуют небольшие количества органических веществ.

Наиболее совершенные репродукции органических форм получаются с помощью кремнезема, представляющего собой один из тех минералов, которые способны переноситься в водных растворах и осаждаться в аморфном состоянии. Все другие минералы осаждаются в виде кристаллов, превышающих в большинстве случаев по размерам мельчайшие структурные элементы организма. Даже после того, как аморфный кремнезем кристаллизовался in situ в шерт, кристаллы последнего оставались настолько малыми, что даже сохранили субмикроскопические структуры, различаемые лишь с помощью электронного микроскопа.В качестве примера на рис. 1.16 представлена необычайно точно сохранившаяся первозданная структура ткани растения.

Природный процесс, посредством которого органический материал настолько совершенно воспроизводится в виде кремнеземной псевдоморфозы, еще не понят и не воспроизведен в лабораторных условиях. Можно представить, что гель кремнезема образуется внутри обычно заполненных водой пространств в тканях растений, однако процесс последующего замещения органического вещества новыми порциями кремнезема был бы затруднителен. Без сомнения, в природе такой процесс протекает чрезвычайно медленно. Первую стадию подобных превращений можно наблюдать, помещая образцы дерева, например, в горячие минеральные источники, богатые кремнеземом, такие, например, как источники в Иеллоустонском национальном Парке (США), содержащие до 0,0717% растворимого кремнезема.

Окремнение дерева обычно связывается с присутствием вулканического пепла, представляющего собой богатый источник легкодоступного растворимого кремнезема. Корренс подтвердил, что кремнезем может осаждаться из природных щелочных вод при выделении диоксида углерода в процессе распада дерева. Таким путем кремнезем должен осаждаться сразу же на поверхности органического материала, и, по мере того как органическая часть удаляется при растворении, она должна замещаться кремнеземом. Предполагается, что первоначально образованный слой кремнезема аморфен и порист и раствор проникает через него за счет диффузионных процессов. Поскольку ткани растений содержат мембраны, которые могут быть проницаемы для растворимой кремневой кислоты, но непроницаемы для коллоидных частиц кремнезема, Хеллмерс считает, что окремнение происходит сразу же после того, как растворимый кремнезем выделяется при разложении силикатных минералов, но еще до того, как такой кремнезем может полимеризоваться...

...Наиболее успешное моделирование процесса с целью получения дубликата окаменевшего дерева было проведено Лео и Баргхорном. Они также представили исторический обзор по данной теме, начиная с попыток алхимика Бэзила Вален-тайна в 1520 г. Образец дерева кипятился в воде до удаления газов и затем поочередно погружался в отдельные герметизированные сосуды либо с водой, либо с этилортосиликатом при 70°С.

Выдерживание в каждой жидкости продолжалось от нескольких дней до месяца, - а поочередные погружения охватывали по времени период до одного года или более. Несколько раз во время погружения образца в этиловый эфир ортокремневой кислоты использовалась вакуумная обработка с целью удаления водяных паров из дерева для дальнейшего проникновения в него эфира. По мере того как этилсиликат становился вязким или мутным, его заменяли свежей жидкостью. В конце этилсиликатного цикла образец смачивался 0,004 %-ным раствором HNOз, чтобы гидролизовать оставшийся сложный эфир in situ.

опал-арлекин

Такой заполненный кремнеземом образец еще содержал все исходные органические вещества, напоминая естественные образцы окаменевших деревьев в молодом геологическом возрасте. После того как органическое вещество было удалено, что подтверждалось отсутствием потемнения фрагмента дерева при погружении его в конц. H2SO4, оказалось, что отложение кремнезема точно воспроизводит исходную органическую структуру. В отличие от предыдущих этот метод дает прочное отчетливое окремнение...

...Дублирование тонкозернистого шерта, содержащего микро­организмы, представляется возможным в лабораторных усло­виях, поскольку для такого образца расстояния, необходимые для диффузионных процессов переноса растворимого кремне­зема, весьма малы. Олер и Шопф [280] приготовили образцы из нитевидной водоросли, которые погружались в массу геля крем­незема и затем подвергались гидротермальной обработке в ав­токлаве при давлении 2—4 килобар и температуре 150°С в те­чение 2—4 недель. При этих условиях гель испытывал синере­зис до тех пор, пока не становился полностью твердым и не пре­вращался в микрокристаллическое состояние, как это описано Олером. " Отсюда (Кстати, это цитата из первого тома Р. Айлера)

* * *

Как видно из текста, наука занимается вопросами окаменевших деревьев. Делается это ещё и потому, что в некоторых случаях, водоподготовка включает в себя и процедуру осаждения имеющегося в воде кремния (эти вопросы активно изследуются). Из приведённого, нам можно ещё раз отметить следующие вещи:

1. В лабораторных условиях повторить процесс окаменения древесины не получается - элементарно не хватает миллионов лет. Но цепочку превращений смоделировать удалось с результатом, аналогичным природным образцам.

2. Большое количество кремния поступает в воду из продуктов вулканической деятельности.

3. Существует две основных формы содержания кремния в воде - мономерный растворённый и коллоидный. Которые осаждаются по-разному. Для одного необходимы центры кристаллизации, для другого - твёрдые поверхности.

4. Осаждённый коллоидный кремний становится основой для осаждения растворённого.

5. Растения содержат в своих тканях коллоидный кремний. (который, по-моему,вполне мог бы послужить основой для осаждения растворённого кремния).

Часть фотоснимков взята здесь

Продолжение будет (по-возможности), ибо тема очень интересна, даже половина из того, что хотела изложить, не поместилась.