Physico-chemical mechanisms of formation of concentrically banded agates in basalts: hypotheses and experiments

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Based on the literature data, the main properties of agates and the conditions of their formation are summarized, and a critical analysis of the hypotheses of agate formation is performed. The hypothesis of layered deposition and crystallization of silica extracted from the host rock (in particular, basalt) turned out to be the most adequate. However, difficulties remained in explaining the movement of SiO2 from the host basalt to the agate cavities, the causes of SiO2 deposition, the role of phase transformations and the mechanism of banding formation. To clarify these issues, experiments were performed on the dissolution of basalt samples in water for 4 months at 300 °C. The formation of silica was noticeable only in experiments where the basalt sample was half submerged in water. In particular, amorphous silica (opal-A) was deposited in the pores and on the surface of the sample above the water level, which formed agate-like layered textures and was replaced in places by chalcedony. The experimental results are explained within the framework of the distillation hypothesis, which may be suitable for the formation of agates. The hypothesis combines the possibilities of SiO2 transfer in low concentrations and SiO2 deposition in high concentrations, and also explains the banding of agate by fluctuations in the balance of supply and consumption of dissolved silica in precipitation and phase transformation reactions.

About the authors

V. A. Alekseyev

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Kosygina str., 19, Moscow, 119991 Russia

D. V. Korost

Lomonosov Moscow State University

Email: dkorost@mail.ru
Vorobyovy Gory, 1, Moscow, 119234 Russia

N. V. Stepanov

Moscow Automobile and Road Building State University

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Leningradsky Prospekt, 64, Moscow, 125319 Russia

A. V. Mokhov

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Kosygina str., 19, Moscow, 119991 Russia

I. N. Gromyak

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Kosygina str., 19, Moscow, 119991 Russia

References

  1. Айлер Р. (1982) Химия кремнезема. Ч. 2. М.: Мир, 712 с.
  2. Алексеев В.А. (2019) Наночастицы и нанофлюиды при взаимодействиях вода–порода. Геохимия. 64(4), 343–355.
  3. Alekseyev V.A. (2019) Nanoparticles and nanofluids in water–rock interactions. Geochem. Int. 57(4), 357–368.
  4. Алексеев В.А. (2023) Перенос металлов в гидротермальных условиях в виде коллоидных частиц и пересыщенных истинных растворов. Геохимия. 68(6), 608–621.
  5. Alekseyev V.A. (2023) Transfer of metals under hydrothermal conditions in the form of colloidal particles and supersaturated true solutions. Geochem. Int. 61(6), 630–642.
  6. Алексеев В.А., Медведева Л.С. (2018) Распределение кремнезема в системе кварц-вода-пар в зависимости от температурного градиента. Геохимия. (2), 147–159.
  7. Alekseyev V.A., Medvedeva L.S. (2018) Silica distribution in the system quartz–water–vapor depending on the temperature gradient. Geochem. Int. 56(2), 136–147.
  8. Алексеев В.А., Бурмистров А.А., Громяк И.Н. (2021) Превращение кварца в опал у границы вода–пар. Геохимия. 66(4), 329–340.
  9. Alekseyev V.A., Burmistrov A.A., Gromiak I.N. (2021) Quartz transformation into opal at the water–vapor interface. Geochem. Int. 59(4), 377–387.
  10. Бетехтин А.Г. (1950) Минералогия. М.: Госгеолиздат, 956 с.
  11. Барсанов Г.П., Яковлева М.Е. (1982) Минералогия, макро- и микроморфологические особенности агатов. Труды минералогического музея. Выпуск 30. Новые данные о минералах СССР (ред. Барсанов Г. П., Чистякова М. В.). М.: Наука, с. 3–26.
  12. Годовиков А.А., Рипинен О.И., Моторин С.Г. (1987) Агаты. М.: Недра, 368 с.
  13. Григорьев Д.П. (1961) Онтогения минералов. Львов: Изд. Львов. ун-та. 284 с.
  14. Кантор Б.З. (2006) К проблеме генезиса агатов (новые данные). Новые данные о минералах. (41), 145–153.
  15. Кантор Б.З. (1997) Беседы о минералах. М.: Астрель, 131 с.
  16. Кигай И.Н. (2017) Об условиях образования агатов. Минералогия. 3(2), 75–90.
  17. Кигай И.Н. (2020) Проблемы гидротермального рудообразования. Учебное пособие. М.: МАКС Пресс.
  18. Кигай И.Н., Тагиров Б. Р. (2010) Эволюция кислотности рудообразующих флюидов, обусловленная гидролизом хлоридов. Петрология. 18(3), 270–281.
  19. Киевленко Е.Я. (1980) Поиски и оценка месторождений драгоценных и поделочных камней. М.: Недра, 166 с.
  20. Климентов П.П., Кононов В. М. (1973) Динамика подземных вод. М.: Высшая школа, 440 с.
  21. Корост Д.В., Арискин А.А., Пшеницын И.В., Хомяк А.Н. (2019) Рентгеновская компьютерная томография как метод реконструкции 3d-характеристик рассеянных сульфидов и шпинелида в плагиодунитах Йоко-Довыренского интрузива. Петрология. 27(4), 401–419.
  22. Малеев М.Н. (1971) Свойства и генезис природных нитевидных кристаллов и их агрегатов. М.: Наука.
  23. Методические указания по поискам и перспективной оценке месторождений цветных камней. Вып. 11. Агат (1976) М.: Министерство геологии СССР.
  24. Набоко С.И. (1959) Вулканические эксгаляции и продукты их реакций. М.: АН СССР.
  25. Набоко С.И., Сильниченко В.Г. (1957) Образование силикагеля на сольфатарах вулкана Головнина на острове Кунашир. Геохимия. (3), 253–256.
  26. Спиридонов Э.М. Генетические типы месторождений драгоценных и поделочных камней. М.: изд. МГУ. 2000. 61 с.
  27. Спиридонов Э.М., Ладыгин В.М., Янакиева Д., Фролова Ю.В., Семиконенных Е.С. (2014) Агаты в метавулканитах: геологические обстановки, параметры и время превращения вулканитов в мандельштейны с агатами. Вестник РФФИ. Спецвыпуск. 66 с.
  28. Спиридонов Э.М. (2019) Явления расщепления кристаллов при их росте – результат совместного действия эффектов Штернберга–Пунина и Ребиндера. ДАН. 485(5), 619–620.
  29. Степанов В.И. (1970) О происхождении так называемых “колломорфных” агрегатов минералов. Онтогенические методы изучения минералов (ред. А. Г. Жабин). М.: Наука, 1970. с. 198–206.
  30. Чухров Ф.В. (1955) Коллоиды в земной коре. М.: АН СССР, 671 с.
  31. Adamson A.W., Gast A.P. (1997) Physical chemistry of surfaces. 6th ed. John Wiley & Sons. New York.
  32. Alekseyev V.A. (2023) Spontaneous solution distillation in a closed silica-water system at the water-vapor interface: Review of experimental studies. In: Advances in Geochemistry, Analytical Chemistry, Planetary Sciences. (eds. V.P. Kolotov and N.S. Bezaeva). Springer, 175–186.
  33. Alekseyev V.A., Balashov V.N., Medvedeva L.S., Opolchentsev A.M. (2022) Natural distillation of solutions and opal formation in closed vapor-liquid hydrothermal systems. Geochem. Int. 60(13), 1391–1412.
  34. Berger G., Claparols C., Guy C., Daux V. (1994) Dissolution rate of a basalt glass in silica-rich solutions: Implications for long-term alteration. Geochim. Cosmochim. Acta. 58(22), 4875–4886.
  35. Bettermann P., Liebau F. (1975) The transformation of amorphous silica to crystalline silica under hydrothermal conditions. Contr. Mineral. Petrol. 53, 25–36.
  36. Bico J., Thiele U., Quéré D (2002) Wetting of textured surfaces. Colloids Surfaces A 206, 41–46.
  37. Campbell A.S., Fyfe W.S. (1960) Hydroxyl ion catalysis of the hydrothermal crystallization of amorphous silica; a possible high temperature pH indicator. Am. Miner. 45(3–4), 464–468.
  38. Carr R.M., Fyfe W.S. (1958) Some observations on the crystallization of amorphous silica. Am. Miner. 43(9–10), 908–916.
  39. Chukhrov F.V. (1966) Present views on colloids in ore formation. Intern. Geol. Rev. 8(3), 336–345.
  40. Dai S., Shin H., Santamarina J. (2016) Formation and development of salt crusts on soil surfaces. Acta Geotechnica. 11(5), 1103–1109.
  41. Drummond S.E., Ohmoto H. (1985) Chemical evolution and mineral deposition in boiling hydrothermal systems. Econ. Geol. 80, 126–147.
  42. Ducasse T., Gourgiotis A., Pringle E., Moynier F., Frugier P., Jollivet P., Gin S. (2018) Alteration of synthetic basaltic glass in silica saturated conditions: Analogy with nuclear glass. Appl. Geochem. 97, 19–31.
  43. Elliston J. (2018) Hydration of silica and its role in the formation of quartz veins – Part 1. Substantia. 2(2), 43–71.
  44. Elliston J. (2019) Hydration of silica and its role in the formation of quartz veins – Part 2. Substantia. 3(1), 63–94.
  45. Flörke O.W. (1972) Transport and deposition of SiO2 with H2O under supercritical conditions. Krist. Tech. 7(1–3), 159–166.
  46. Flörke O.W., Köhler-Herbertz B., Langer K., Tönges I. (1982) Water in microcrystalline quartz of volcanic origin: Agates. Contr. Mineral. Petrol. 80(4), 324–333.
  47. Fournier R.O. (1977) Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems. Geothermics. 5(1–4), 41–50.
  48. French M.W., Worden D.R., Lee D.R. (2013). Electron backscatter diffraction investigation of length-fast chalcedony in agate: Implications for agate genesis and growth mechanisms. Geofluids. 13(1), 32–44.
  49. Friedman S.R., Khalil M., Taborek P. (2013) Wetting transition in water. Phys. Rev. Lett. 111(22), art. No 226101.
  50. Frondel C. (1982) Structural hydroxyl in chalcedony (Type B quartz). Am. Miner. 67(11–12), 1248–1257.
  51. Gíslason S.R., Heaney P.J., Veblen D.R., Livi K.J.T. (1993) The difference between the solubility of quartz and chalcedony: The cause? Chem. Geol. 107(3–4), 363–366.
  52. Gliozzo E. (2019) Variations on the silica theme: Classification and provenance from Pliny to current supplies. In: EMU Notes in Mineralogy, Vol. 20: The Contribution of Mineralogy to Cultural Heritage. (eds. G. Artioli and R. Oberti). P. 13–85.
  53. Götze J., Möckel R., Pan Y. (2020) Mineralogy, geochemistry and genesis of agate—a review. Minerals. 10(11), art. No 1037.
  54. Graetsch H., Gies H., Topalović I. (1994) NMR, XRD and IR study on microcrystalline opals. Phys. Chem. Minerals. 21, 166–175.
  55. Gudbrandsson S., Wolff-Boenisch D., Gislason S.R., Oelkers E.H. (2011) An experimental study of crystalline basalt dissolution from 2 ≤ pH ≤ 11 and temperatures from 5 to 75 °C. Geochim. Cosmochim. Acta. 75(19), 5496–5509.
  56. Gysi A.P., Stefánsson A. (2012) Mineralogical aspects of CO2 sequestration during hydrothermal basalt alteration – An experimental study at 75 to 250 °C and elevated pCO2. Chem. Geol. 306–307, 146–159.
  57. Heaney P.J. (1993) A proposed mechanism for the growth of chalcedony. Contr. Mineral. Petrol. 115(1), 66–74.
  58. Heaney P.J., Davis A.M. (1995) Observation and origin of self-organized textures in agates. Science. 269(5230), 1562–1565.
  59. Hoshino K., Itami T., Shiokawa R., Watanabe M. (2006) A possible role of boiling in ore deposition: A numerical approach. Resour. Geol. 56, 49–54.
  60. Howard C.B., Rabinovitch A. (2018) A new model of agate geode formation based on a combination of morphological features and silica sol-gel experiments. Eur. J. Mineral. 30(1), 97–106.
  61. Kigai I.N. (2019) The genesis of agates and amethyst geodes. Can. Mineral. 57(6), 867–883.
  62. Liesegang R.E. (1915) Die Achate. Verlag von Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig, 122 p.
  63. Lu Taijing, Sunagawa I. (1994) Texture formation of agate in geode. Mineral. J. 17 (2), 53–76.
  64. Manning C.E. (1994) The solubility of quartz in H2O in the lower crust and upper mantle. Geochim. Cosmochim. Acta. 58 (22), 4831–4839.
  65. Mazurek A., Pogorzelski S.J., Boniewicz-Szmyt K. (2009) Adsorption of natural surfactants present in sea waters at surfaces of minerals: Contact angle measurements. Oceanologia. 51(3), 377–403.
  66. Merino E., Wang Y. (2001) Self-organization in rocks: occurrences, observations, modeling, testing – with emphasis on agate genesis. In: “Non-equilibrium processes and dissipative structures in geoscience”, Yearbook “Self-Organization”, Vol. 11 (eds. H.J. Krug and J.H. Kruhl). Duncker & Humblot, Berlin, 13–45.
  67. Mizutani S. (1970) Silica minerals in the early stage of diagenesis. Sedimentology. 15(3–4), 419–436.
  68. Mysen B. (2022) Fluids and physicochemical properties and processes in the Earth. Prog. Earth. Planet. Sci. 9, art. No 54.
  69. Moitra P., Houghton B.F. (2021) Porosity-permeability relationships in crystal-rich basalts from Plinian eruptions. Bull. Volcanol. 83(11), art. No 71.
  70. Moxon T., Palyanova G. (2020) Agate genesis: A continuing enigma. Minerals. 10(11), art. No 953.
  71. Nacken R. (1948) Über die Nachbildung von Chalcedon-Mandeln. Natur und Volk. 78, 2–8.
  72. Oehler J.H. (1976) Hydrothermal crystallization of silica gel. Bull. Geol. Soc. Am. 87(8), 1143–1152.
  73. Okamoto A., Saishu H., Hirano N., Tsuchiya N. (2010) Mineralogical and textural variation of silica minerals in hydrothermal flow-through experiments: Implications for quartz vein formation. Geochim. Cosmochim. Acta. 74(13), 3692–3706.
  74. Ortoleva P., Chen Y., Chen W. (1994). Agates, geodes, concretions and orbicules: Self-organized zoning and morphology. In: Fractals and Dynamic Systems in Geoscience (ed. Kruhl J.H.). Springer, Berlin, Heidelberg, 283–305.
  75. Pabian R.K., Zarins A. (1994) Banded Agates – Origins and Inclusions. Educational Circular. No 12. University of Bebraska: Lincoln, NE, USA, 32 p.
  76. Phukan M., Vu H.P., Haese R.R. (2021) Mineral dissolution and precipitation reactions and their net balance controlled by mineral surface area: An experimental study on the interactions between continental flood basalts and CO2-saturated water at 80 bars and 60 ° C. Chem. Geol. 559, art. No 119909.
  77. Plawsky J.L., Ojha M., Chatterjee A., and Wayner Jr.P.C. (2008) Review of the effects of surface topography, surface chemistry, and fluid physics on evaporation at the contact line. Chem. Eng. Commun. 196, 658–696.
  78. Plyasunov A.V. (2012) Thermodynamics of Si(OH)4 in the vapor phase of water: Henry’s and vapor–liquid distribution constants, fugacity and cross virial coefficients. Geochim. Cosmochim. Acta. 77, 215–231.
  79. Qazi M.J., Salim H., Doorman C.A. W., Jambon-Puillet E., Shahidzadeh N. (2019) Salt creeping as a self-amplifying crystallization process. Sci Adv. 5(12), eaax1853.
  80. Ryzhenko B.N., Barsukov V.L., Knyazeva S.N. (2000) Chemical characteristics (composition, pH, and Eh) of the water-rock system: III. Pyroxenite-water and dunite-water systems. Geochem. Int. 38(6), 560–583.
  81. Saar M.O., Manga M. (1999) Permeability-porosity relationship in vesicular basalts. Geophys. Res. Letters. 26(1), 111–114.
  82. Schaefer D.W. (1989) Polymers, fractals, and ceramic materials. Science. 243(4894), 1023–1027.
  83. Schmidt P., Slodczyk A., Le´a V., Davidson A., Puaud S., Sciau P. (2013) A comparative study of the thermal beha- viour of length-fast chalcedony, length-slow chalcedony (quartzine) and moganite. Phys. Chem. Miner. 40, 331–340.
  84. Smirnov S.Z., Thomas V.G., Kamenetsky V.S, Kozmenko O.A., Large R.R. (2012) Hydrosilicate liquids in the system Na2O-SiO2-H2O with NaF, NaCl and Ta: Evaluation of their role in ore and mineral formation at high T and P. Petrology. 20(3), 271–285.
  85. Sparks R.S.J. (1978) The dynamics of bubble formation and growth in magmas: A review and analysis. J. Volcanol. Geotherm. Res. 3, 1–37.
  86. Techer I., Advocat T., Lancelot J., Liotard J.-M. (2001) Dissolution kinetics of basaltic glasses: control by solution chemistry and protective effect of the alteration film. Chem. Geol. 176(1–4), 235–263.
  87. Tsuzuki Y., Ogasawara K. (1987) Dissolution experiments on albite and basalt glasses at various temperatures and their application to hydrothermal alteration in geothermal fields. Geochem. J. 21(6), 261–281.
  88. Van Enckevort W., Los J. (2013) On the creeping of saturated salt solutions. Cryst. Growth Des. 13(5), 1838–1848.
  89. Wagner W. and Pruß A. (2002) The IAPWS formulation 1995 for the thermodynamic properties of ordinary water substance for general and scientific use. J. Phys. Chem. Ref. Data. 31(2), 387–535.
  90. Walger E., Mattheß G., Von Seckendorff V., Liebau F. (2009) The formation of agate structures: Models for silica transport, agate layer accretion, and for flow patterns and flow regimes in infiltration channels. Neues Jahrb. Mineral. Abh. 186(2), 113–152.
  91. Wang Y., Merino E. (1990) Self-organizational origin of agates: Banding, fiber twisting, composition, and dyna- mic crystallization model. Geochim. Cosmochim. Acta. 54(6), 1627–1638.
  92. Wedekind W., López-Doncel R., Dohrmann R., Kocher M. (2013) Weathering of volcanic tuff rocks caused by moisture expansion. Environ. Earth Sci. 69, 1203–1224.
  93. White J.F., Corwin J.F. (1961) Synthesis and origin of chalcedony. Am. Miner. 46, 112–119.
  94. Williams L.A., Crerar D.A. (1985) Silica diagenesis, II. Ge-neral mechanisms. J. Sediment. Petrol. 55(3), 312–321.
  95. Williams L.A., Parks G.A., Crerar DA. (1985) Silica diagenesis, I. Solubility controls. J. Sediment. Petrol. 55(3), 301–311.
  96. Zhang X., Ji L., He X. (2020) Gemological characteristics and origin of the Zhanguohong agate from Beipiao, Liao-ning province, China: A combined microscopic, X-ray diffraction, and Raman spectroscopic study. Minerals. 10(5), art. No 401.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».