Состав | |
---|---|
Минерализованные растительные остатки |
Угольный шар — это тип конкреции , форма которой варьируется от несовершенной сферы до плоской, неправильной плиты. Угольные шары образовались в болотах и топях каменноугольного периода , когда торф не мог превратиться в уголь из-за большого количества кальцита, окружающего торф; кальцит заставил его превратиться в камень . Таким образом, несмотря на то, что он на самом деле не состоит из угля , угольный шар обязан своим названием своему схожему происхождению, а также своей схожей с настоящим углем форме.
Угольные шарики часто сохраняют замечательную запись микроскопической структуры тканей болотных и трясинных растений каменноугольного периода, которые в противном случае были бы полностью уничтожены. Их уникальная сохранность каменноугольных растений делает их ценными для ученых, которые разрезают и очищают угольные шарики, чтобы исследовать геологическое прошлое.
В 1855 году два английских учёных, Джозеф Далтон Хукер и Эдвард Уильям Бинни , сделали первое научное описание угольных шаров в Англии, а первые исследования угольных шаров были проведены в Европе. Североамериканские угольные шары были обнаружены и идентифицированы в 1922 году. С тех пор угольные шары были обнаружены в других странах, что привело к открытию сотен видов и родов .
Угольные шары можно найти в угольных пластах по всей Северной Америке и Евразии . Североамериканские угольные шары более распространены, как стратиграфически , так и геологически, чем в Европе. Самые старые известные угольные шары датируются намюрским ярусом карбона; они были найдены в Германии и на территории бывшей Чехословакии.
Первое научное описание угольных шаров было сделано в 1855 году сэром Джозефом Далтоном Хукером и Эдвардом Уильямом Бинни , которые сообщили о примерах в угольных пластах Йоркшира и Ланкашира , Англия. Европейские ученые провели большую часть ранних исследований. [1] [2]
Угольные шары в Северной Америке были впервые обнаружены в угольных пластах Айовы в 1894 году, [3] [4] хотя связь с европейскими угольными шарами не была установлена, пока Адольф Карл Ноэ (чей угольный шар был найден Гилбертом Кэди [3] [5] [6] ) не провел параллель в 1922 году. [2] Работа Ноэ возобновила интерес к угольным шарам, и к 1930-м годам привлекла палеоботаников из Европы в Иллинойсский бассейн на их поиски. [7]
Существуют две теории — автохтонная ( in situ ) и аллохтонная (дрейфовая) — которые пытаются объяснить образование угольных шаров, хотя эта тема в основном носит предположительный характер. [8]
Сторонники теории in situ полагают, что вблизи его нынешнего местоположения органическое вещество накапливалось около торфяного болота и вскоре после захоронения подверглось перминерализации — минералы просочились в органическое вещество и образовали внутренний слепок. [9] [10] Вода с высоким содержанием растворенных минералов была захоронена вместе с растительным веществом в торфяном болоте. По мере кристаллизации растворенных ионов минеральное вещество выпадало в осадок. Это приводило к образованию конкреций, содержащих растительный материал, и сохранению их в виде округлых кусков камня. Таким образом, углефикация была предотвращена, и торф сохранился и в конечном итоге стал угольным шаром. [11] Большинство угольных шаров обнаружено в битуминозных и антрацитовых угольных пластах, [12] в местах, где торф не был достаточно сжат, чтобы превратить материал в уголь. [11]
Мари Стоупс и Дэвид Уотсон проанализировали образцы угольных шаров и решили, что угольные шары образовались in situ . Они подчеркнули важность взаимодействия с морской водой, полагая, что это необходимо для образования угольных шаров. [13] Некоторые сторонники теории in situ считают, что открытие Стоупс и Уотсоном стебля растения, проходящего через несколько угольных шаров, показывает, что угольные шары образовались in situ , заявляя, что теория дрейфа не может объяснить наблюдение Стоупс и Уотсона. Они также ссылаются на хрупкие куски органического материала, выступающие за пределы некоторых угольных шаров, утверждая, что если бы теория дрейфа была верна, выступы были бы разрушены, [14] а некоторые большие угольные шары настолько велики, что их вообще невозможно было бы транспортировать. [15]
Теория дрейфа утверждает, что органический материал не образовался в его нынешнем местоположении или вблизи него. Скорее, она утверждает, что материал, который должен был стать угольным шаром, был перенесен из другого места посредством наводнения или шторма. [16] Некоторые сторонники теории дрейфа, такие как Сергиус Мамай и Эллис Йохельсон, считали, что присутствие морских животных в угольных шарах доказывает, что материал был перенесен из морской среды в неморскую. [17] Эдвард К. Джеффри, заявляя, что теория in situ не имеет «хороших доказательств», считал, что образование угольных шаров из перенесенного материала было вероятным, поскольку угольные шары часто включали материал, образованный транспортировкой и седиментацией в открытой воде. [18]
Угольные шары не состоят из угля; [19] [20] они негорючие и бесполезны в качестве топлива. Угольные шары — это богатые кальцием перминерализованные формы жизни, [21] в основном содержащие карбонаты кальция и магния , пирит и кварц . [22] [23] Другие минералы, включая гипс , иллит , каолинит и лепидокрокит , также встречаются в угольных шарах, хотя и в меньших количествах. [24] Хотя угольные шары обычно имеют размер мужского кулака, [25] их размеры сильно различаются, от размера грецкого ореха до 3 футов (1 м) в диаметре. [26] Были найдены угольные шары, которые были меньше напёрстка . [20]
Угольные шары обычно содержат доломиты , арагонит и массы органического вещества на разных стадиях разложения . [11] Хукер и Бинни проанализировали угольный шар и обнаружили «отсутствие хвойной древесины... и листьев папоротников» и отметили, что обнаруженные растительные вещества «по всей видимости, [были] расположены так же, как они упали с растений, которые их произвели». [27] Угольные шары обычно не сохраняют листья растений. [28]
В 1962 году Сергиус Мамай и Эллис Йохельсон проанализировали североамериканские угольные шары. [29] Их открытие морских организмов привело к классификации угольных шаров, которые были отсортированы по трем типам: нормальные (иногда известные как цветочные), содержащие только растительный материал; фаунистические, содержащие только ископаемые останки животных ; и смешанные, содержащие как растительный, так и животный материал. [30] Смешанные угольные шары далее делятся на гетерогенные, в которых растительный и животный материал был четко разделен; и гомогенные, в которых такое разделение отсутствует. [31]
Качество сохранности угольных шаров варьируется от полного отсутствия сохранности до возможности анализа клеточных структур. [10] Некоторые угольные шары содержат сохранившиеся корневые волоски, [32] пыльцу, [33] и споры, [33] и описываются как «более или менее идеально сохранившиеся», [34] содержащие «не то, что раньше было растением», а само растение. [35] Другие были признаны «бесполезными с ботанической точки зрения», [36] с органическим веществом, испорченным до того, как стать угольным шаром. [37] Угольные шары с хорошо сохранившимся содержимым полезны для палеоботаников. [38] Они использовались для анализа географического распределения растительности: например, для предоставления доказательств того, что украинские и оклахоманские растения тропического пояса когда-то были одинаковыми. [39] Исследования угольных шаров также привели к открытию более 130 родов и 350 видов . [1]
Три основных фактора определяют качество сохранившегося материала в угольном шаре: минеральные компоненты, скорость процесса захоронения и степень сжатия перед прохождением перминерализации. [40] Как правило, угольные шары, полученные из останков, которые быстро захоронились с небольшим разложением и давлением, сохраняются лучше, хотя растительные остатки в большинстве угольных шаров почти всегда показывают различные признаки разложения и разрушения. [11] Угольные шары, содержащие некоторое количество сульфида железа, имеют гораздо более низкую сохранность, чем угольные шары, перминерализованные магнием или карбонатом кальция, [11] [41] [42] что принесло сульфиду железа титул «главного проклятия охотника за угольными шарами». [32]
Угольные шары были впервые обнаружены в Англии [43], а затем и в других частях света, включая Австралию [16] [44] Бельгию, Нидерланды, бывшую Чехословакию , Германию, Украину [45] Китай [46] и Испанию. [47] Они также были обнаружены в Северной Америке, где они географически широко распространены по сравнению с Европой; [1] в Соединенных Штатах угольные шары были обнаружены от Канзаса до бассейна Иллинойса и Аппалачей . [33] [48]
Самые древние угольные шары относятся к раннему концу намюрского яруса (326–313 млн лет назад) и обнаружены в Германии и бывшей Чехословакии, [1] но их возраст обычно варьируется от пермского (299–251 млн лет назад) до верхнего карбона . [49] Некоторые угольные шары из США различаются по возрасту от позднего конца вестфальского яруса (примерно 313–304 млн лет назад) до позднего стефанского яруса (примерно 304–299 млн лет назад). Европейские угольные шары обычно относятся к раннему концу вестфальского яруса. [1]
В угольных пластах угольные шары полностью окружены углем. [50] Они часто встречаются беспорядочно разбросанными по всему пласту изолированными группами, [38] обычно в верхней половине пласта. Их появление в угольных пластах может быть как крайне спорадическим, так и регулярным; было обнаружено, что многие угольные пласты не содержат угольных шаров, [19] [42] в то время как другие содержат так много угольных шаров, что шахтеры вообще избегают этой области. [48]
Тонкие срезы были ранней процедурой, используемой для анализа окаменелого материала, содержащегося в угольных шарах. [51] Процесс требовал разрезания угольного шара алмазной пилой , затем выравнивания и полировки тонкого среза абразивом. [52] Его приклеивали к предметному стеклу и помещали под петрографический микроскоп для исследования. [53] Хотя этот процесс можно было выполнить с помощью машины, большое количество необходимого времени и низкое качество образцов, полученных с помощью тонких срезов, уступили место более удобному методу. [54] [55]
Техника тонкого среза была заменена ныне распространенной техникой жидкой очистки в 1928 году. [8] [51] [54] В этой технике [56] [57] [58] кожура получается путем разрезания поверхности угольного шара алмазной пилой, шлифования поверхности среза на стеклянной пластине с карбидом кремния до гладкой поверхности и травления среза и поверхности соляной кислотой . [55] Кислота растворяет минеральное вещество из угольного шара, оставляя выступающий слой растительных клеток. После нанесения ацетона на угольный шар помещают кусочек ацетата целлюлозы . Это встраивает клетки, сохраненные в угольном шаре, в ацетат целлюлозы. После высыхания ацетат целлюлозы можно удалить с угольного шара бритвой, а полученную кожуру можно окрасить слабокислотным красителем и рассмотреть под микроскопом . С помощью этого метода можно извлечь до 50 кожур из 2 миллиметров (0,079 дюйма) угольного шара. [55]
Однако со временем корки будут разрушаться, если они содержат какой-либо сульфид железа ( пирит или марказит ). Шья Читали решила эту проблему, пересмотрев технику жидкой пилинги, чтобы отделить органический материал, сохраненный угольным шариком, от неорганических минералов, включая сульфид железа. Это позволяет кожуре сохранять свое качество в течение более длительного времени. [59] Изменения Читали начинаются после шлифовки поверхности угольного шарика до гладкой поверхности. Ее процесс по сути включает в себя нагревание, а затем многократное нанесение растворов парафина в ксилоле на угольный шарик. Каждое последующее нанесение имеет большую концентрацию парафина в ксилоле, чтобы позволить воску полностью пропитать угольный шарик. Азотная кислота , а затем ацетон наносятся на угольный шарик. [60] После этого процесс снова сливается с техникой жидкой пилинги.
Рентгеновская порошковая дифракция также использовалась для анализа угольных шариков. [61] Рентгеновские лучи заданной длины волны посылаются через образец для исследования его структуры. Это раскрывает информацию о кристаллографической структуре, химическом составе и физических свойствах исследуемого материала. Рассеянная интенсивность рентгеновской картины наблюдается и анализируется, причем измерения состоят из падающего и рассеянного угла, поляризации и длины волны или энергии. [62]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ){{cite web}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь ) В этой статье использован текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .