Krzemienie należą do jednych z najbardziej zagadkowych skał osadowych. Mimo wieloletnich szeroko zakrojonych badań, kilka kwestii pozostało dotąd nierozwiązanych, a w szczególności dotyczących źródła krzemionki oraz temperatury i tempa jej krystalizacji. Należy przypuszczać, że krzemienie tworzą się w szerokim przedziale warunków fizykochemicznych i dlatego też nie można stosować dla nich jednego uniwersalnego modelu genetycznego. Przy odtwarzaniu warunków powstawania krzemieni należy uwzględnić też fakt, że krzemienie i ich macierzyste skały węglanowe reprezentują dwa odmienne środowiska geochemiczne. Kolejnym paradoksem jest występowanie krzemieni w odległych od brzegu strefach mórz i oceanów, mimo że krzem należy w wodzie morskiej do pierwiastków śladowych (6 μg/g). Odpowiedzi na te pytania nie uzyskamy na podstawie analizy wewnętrznej budowy konkrecji przy użyciu tradycyjnych metod badawczych. Wynika to z faktu, że utwory konkrecyjne, jako ciała stale narastające, mogą powstać na drodze krystalizacji materii od środka na zewnątrz lub vice versa. Kontrowersje budzą też poglądy dotyczące relacji czasowych i przestrzennych między krzemieniami a ich osadami macierzystymi, czy konkrecje tworzyły się na etapie: (1) sedymentacyjno-wczesnodiagenetycznym (w trakcie sedymentacji), (2) diagenetycznym (pod przykryciem osadami w zbiorniku morskim) lub (3) epigenetycznym (po wypełnieniu zbiornika osadami i ich wydźwignięciu). W 1917 roku William A. Tarr (vide Bolewski, Turnau-Morawska, 1963) przedstawił teorię o rzeczno-morskim pochodzeniu krzemieni. Zdaniem wymienionego autora, krzemienie powstały na drodze transportu krzemionki przez wody rzeczne, a następnie chemicznego wytrącania w głębszych partiach zbiornika morskiego. Teoria ta została potwierdzona w latach 50. XX wieku przez Williama H. Twenhofela w 1951 roku (vide Bolewski, Turnau-Morawska, 1963). Według obydwu autorów rola organizmów krzemionkowych w tworzeniu się krzemieni była podrzędna. Szczątki organizmów miały zatapiać się w wytrąconej krzemionce pod wpływem procesów chemicznych. W 1989 roku Ryszard Michniak podjął próbę usystematyzowania i uporządkowania dotychczasowych poglądów i teorii dotyczących powstawania krypto- i mikrokrystalicznych form krzemionki. W ówczesnych klasyfikacjach genetycznych wyróżniano krzemienie wczesno- i późnodiagenetyczne. Różni autorzy odmiennie przedstawiali też procesy inicjujące diagenezę oraz niewłaściwie określali genezę wszystkich krzemieni na drodze konkrecyjnej. Wymieniony autor opisał trzy możliwości powstawania konkrecji krzemieni:
1. Krzemienie śródwarstwowe tworzące się w osadzie lub w zwięzłej skale w wyniku aktywności jąder (ośrodków) krystalizacji, rozrastających się dzięki dyfuzyjnemu wyrównywaniu stężeń roztworów porowych.2. Krzemienie będące konkrecjami dennymi, tworzącymi się na granicy różnych środowisk geochemicznych (krzemionka ulegała wytrąceniu z roztworów pochodzenia morskiego i lądowego).
3. Krzemienie stanowiące nagromadzenie warstwowo ułożonego żelu krzemionki, wtórnie porozrywanego na izolowane fragmenty w wyniku procesów rekrystalizacji i odwodnienia (zmniejszenia objętości) pod wpływem nacisku skał nadległych.
Ryszard Michniak stwierdził również, że wszystkie utwory konkrecyjne mają budowę strefowo-koncentryczną. Struktura ta może być pochodzenia pierwotnego (wzrostowa) lub wtórnego (diagenetyczna). Często strefy te przenikają się wzajemnie w obrębie tej samej konkrecji. Takiej struktury nie wykazują krzemienie sedymentacyjne o genezie niekonkrecyjnej. Ich części wewnętrzne są jednorodne, a ewentualne przeobrażenia diagenetyczne zaznaczają się jednokierunkowo – zgodnie z pierwotnym ułożeniem warstwy żelu krzemionkowego. Więcej danych o genezie krzemieni dostarcza analiza strefy kontaktowej konkrecji krzemieni i ich skał macierzystych. Konkrecje śródwarstwowe mają zawsze białą korę, złożoną z trudniej wypieranych składników skał węglanowych i rozszerzającej swój zasięg krzemionki. Należy podkreślić, że kora ta nie ma nic wspólnego z opisaną białą korą konkrecji krzemieni stanowiącą ich integralną część. Z kolei konkrecje denne pozbawione białej kory wykazują podobieństwo genetyczne do konkrecji manganowych. Część górna wzrasta wolniej w wyniku powolnego obmywana prądami wodnymi, natomiast część dolna zanurzona w osadzie wzrasta szybciej, co prowadzi do powstania konkrecji asymetryczno-dyskoidalnych lub bochenkowatych. Na odsłoniętej powierzchni i wewnątrz buł oraz w partiach przykrytych występują wianki „mikrokonkrecji”. Powstały one w wyniku redepozycji (przemieszczania) buł oraz ich toczenia lub wleczenia po dnie morskim. Formy grzybiaste, grzybopodobne lub nieregularne z różnokierunkowymi odrostami są najbardziej rozpowszechnione wśród krzemieni sedymentacyj- nych. Występowanie i ukształtowanie białej kory wśród krzemieni sedymentacyjnych zależy od charakteru osadu podściełającego i przykrywającego oraz od stopnia plastyczności krzemionki w momencie jej rozrywania. Według Ryszarda Michniaka (1989) kolejnym wskaźnikiem pochodzenia krzemieni może być kształt buł. Konkrecje śródwarstwowe tworzą zwarte skupienia elipsoidalne, kuliste i nieregularne. Zachowują one kształt pierwotny i nie ulegają spłaszczeniu. Na uwagę zasługuje też fakt, że konkrecje kredowe (występujące przeważnie w opokach) mają mniej zwarte kształty niż konkrecje jurajskie (spotykane najczęściej w wapieniach). Stanisław Kwiatkowski (vide Michniak, 1989) uzależniał kształt konkrecji krzemieni od gęstości i stopnia jednorodności macierzystych osadów. Jego zdaniem, krzemienie o kształtach regularnych i elipsoidalnych powstawały w osadach jednorodnych, o wyrównanej gęstości i równomiernym rozproszeniu materii organicznej. Grzegorz Pieńkowski i Jacek Gutowski (2004) upatrują źródło krzemionki w procesie rozkładu minerałów ilastych na etapie wczesnej diagenezy. Produktem tego procesu byłby kwas ortokrzemowy (H4SiO4) i krzemionka koloidalna. Roztwór zawierający te dwa podstawowe składniki przenikał w głąb osadu, gdzie w miejscach rozkładu materii organicznej (spadku pH) dochodziło do zmniejszenia rozpuszczalności kwasu ortokrzemowego i wytrącenia żelu krzemionkowego, który z czasem uległ odwodnieniu i przekształceniu w krzemień. Centrami krystalizacji krzemionki miały być nory wytworzone w osadach przez organizmy żywe (głównie skorupiaki). Zdaniem wymienionych autorów, wytrącanie krzemionki zachodziło w obrębie materii organicznej (nagromadzonej wokół nor), która w czasie rozkładu powodowała lokalny spadek pH. Istnieje jednak wiele innych poglądów na temat źródeł krzemionki warunkującej powstanie konkrecji krzemieni. Na szczególną uwagę zasługują w tym względzie następujące teorie (Durakiewicz i in., 2001; Migaszewski i in., 2006; Migaszewski, Migaszewski, 2008 i literatura tam cytowana):
1. Teoria „upwellingu” – rozwoju organizmów krzemionkowych w strefach wznoszenia się prądów morskich z głębszych do płytszych partii zbiornika morskiego.2. Teoria transportu krzemionki koloidalnej przez prądy denne z delt i estuariów do głębszych partii zbiorników morskich.
3. Teoria rozpuszczania krzemionki zawartej w okrzemkach, radiolariach i/lub gąbkach, a następnie jej przemieszczania i powtórnego wytrącania się w obrębie wyżej położonych serii skalnych na etapie diagenezy lub epigenezy (fot. 26-29).
4. Teoria mieszania się wód morskich i słodkich oraz krążenia w basenie zhybrydyzowanych wód zawierających krzemionkę.
5. Teoria hydrotermalna, czyli powstawanie konkrecji krzemieni w wyniku działalności podmorskich źródeł hydrotermalnych, zasilających zbiornik w roztwory wzbogacone w krzemionkę.
Okrzemki – jednokomórkowe glony, które wytwarzają charakterystyczne krzemionkowe skorupki o skomplikowanej budowie, składające się z wieczka i denka. Wielkość: w większości osiągają średnicę 0,02-0,2 mm, a niektóre gatunki nawet 2 mm
Wymienione teorie odnoszą się do różnych miejsc występowania krzemieni na świecie. W przypadku krzemieni świętokrzyskich występujących w osadach jury górnej obydwie teorie (1) „upwellingu” i (2) transportu krzemionki przez prądy denne są trudne do udowodnienia ze względu na brak odpowiednich przesłanek batymetrycznych (głębokości i reliefu dna morskiego) lub rozkładu przestrzennego paleoprądów w późnojurajskim zbiorniku morskim na obszarze Gór Świętokrzyskich. Podobnie, na podstawie badań sedymentologicznych, zespół pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego odrzucił teorię rozpuszczania krzemionki zawartej w licznie występujących gąbkach oraz jej przemieszczania i powtórnego wytrącania. Forma kwarcu krypto/mikrokrystalicznego tworzącego matriks (tło skalne) konkrecji wskazuje na bezpośrednią krystalizację z wody morskiej (Migaszewski i in., 2006). Badania izotopowe, wykonane przez wymieniony zespół, wykluczyły również teorię mieszania się wód morskich i wadycznych (infiltracyjnych). Gdyby była ona prawdziwa, to konkrecje musiałyby wykazywać dodatnią korelację między wartościami delt wodorowych (δD) i tlenowych (δ18O), czyli między stosunkami izotopów 2H/1H i 18O/16O. Wyniki analiz izotopowych wykonanych przez Tomasza Durakiewicza i Zaharego D. Sharpa (Durakiewicz i in., 2001, 2000; Sharp i in., 2002) wskazały na wyraźną antykorelacyjną sinusoidalną cykliczność rozkładu wartości δD i δ18O wzdłuż osi prowadzącej od środka na zewnątrz konkrecji. Wyniki wykonanych badań świadczą o sedymentacyjnowczesnodiagenetycznej genezie krzemieni górnojurajskich z Gór Świętokrzyskich. Wskazują na to następujące przesłanki:
1. Występowanie silnie zdeformowanych i poskręcanych konkrecji krzemieni w brekcjach sedymentacyjnych (osuwiskach podmorskich), świadczących o transporcie półpłynnego żelu krzemionkowego wraz z pokruszonymi fragmentami wapieni. W profilu kamieniołomu Głuchowiec koło Małogoszcza występują toczeńce wapieni „uzbrojone” w konkrecje krzemieni.
2. Charakterystyczny układ buł krzemieni w niezaburzonych warstwach skalnych. Ich dłuższe osie są przeważnie ułożone równoległe do uwarstwienia.
3. Obecność struktur spływowych żelu krzemionkowego na powierzchniach konkrecji oraz struktur mikrobrekcyjnych w konkrecjach policentrycznych (przemieszczonych pierwotnych fragmentów krzemionki scementowanych wtórną krzemionką).
4. Obecność białej kory oraz brak przykładów stopniowego przenikania krzemionki do osadu wapiennego. Nie stwierdzono również występowania kanałów doprowadzających krzemionkę do konkrecji.
Spikule (igły) gąbek krzemionkowych. Rozróżnia się mikrosklery, które są luźnymi igłami, rozrzuconymi między elementami głównego szkieletu o wymiarach 0,01-0,1 mm oraz megasklery będące zasadniczym elementem szkieletu i osiągające 0,1-1 mm
Fragment szkieletu krzemionkowego gąbki z rodzaju Euplectella sp. o długości 10 cm. Więcej informacji >>>
Promienice (Radiolaria) – zwierzęta planktoniczne. Nieliczne gatunki są nagie, pozostałe mają szkielet zbudowany z krzemionkowych igiełek lub płytek w różnym kształcie. Wielkość około 0,2 mm
Kompleksowe badania wykonane przez zespół pod kierunkiem Zdzisława Migaszewskiego (Migaszewski, Olszewska, 2002; Migaszewski, 2003; Migaszewski i in., 2006) dały też pewne przesłanki popierające teorię hydrotermalną, wykazując jednocześnie brak innego potencjalnego źródła krzemionki, jakim mogłyby być skały piroklastyczne (wulkaniczne). Wśród nich należy wymienić obecność w niektórych konkrecjach krzemieni niskotemperaturowego kaolinitu oraz pojedynczych jasnobrunatnych wyściółek organicznych otwornic, które mogą świadczyć o termicznym podgrzaniu do temperatury około 80-85°c. Zdaniem Z. Migaszewskiego i współautorów (2006), wadą poprzednich teorii jest brak odpowiedzi na dwa podstawowe pytania: (1) Jakie jest źródło krzemionki w węglanowym środowisku morskim charakteryzującym się wyraźnym deficytem krzemu? oraz (2) Dlaczego konkrecje krzemieni nie są równomiernie rozproszone w całym badanym profilu węglanowym o grubości ponad 1000 m, lecz tworzą tylko kilka izolowanych od siebie poziomów? W proponowanym modelu hydrotermalnym dochodziło do krystalizacji krzemionki w warunkach równowagi izotopowej z wodą morską, której temperatura zmieniała się cyklicznie w miarę dostarczania kolejnych porcji SiO2 z podmorskich źródeł hydrotermalnych. Model ten najlepiej tłumaczy nieoczekiwane pojawienie się żelu krzemionkowego w mniej lub bardziej odległych partiach platformy węglanowej. Dopóki jednak nie znajdzie się oczywistego dowodu geologicznego, jakim jest forma strukturalna źródła podmorskiego, to ta dość prawdopodobna koncepcja pozostanie jedynie w sferze przypuszczeń.
KIELECCZYZNA GALERIE
