Сайт Проекта "Рисуя Минералы" |
|||||||||
Электронная версия.
Обычная опубликована в
Proc. Univ. Bristol Spelaeol. Soc.,
1996, 20(3)
В.А.Мальцев ВНИИГЕОСИСТЕМ
К ОНТОГЕНИИ МИНЕРАЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ПЕЩЕР : НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ СУЛЬФАТОВ
РЕФЕРАТ. В статье, построенной на фактическом материале из пещер системы Кап-Кутан, критически рассматриваются механизмы роста большинства типов агрегатов нитевидных кристаллов, связанные с питанием за счет фильтрации растворов сквозь пористые субстраты под воздействием внешнего давления. Построенные физические модели фильтрации допускают образование подобных агрегатов только за счет локального питания, реализуемого исключительно посредством капиллярного давления вкупе с короткопериодической (сезонной) цикличностью обводненности. В ряде случаев одним из главных факторов является сульфатредукция. Рассматривается ряд новых минеральных агрегатов, генетически связанных с ростом нитевидных кристаллов. ABSTRACT. Some considerations on cave minerals onthogeny: sulfates filamentary crystals and their aggregates. The article, based on observations from the Cupp-Coutunn cave system, criticizes genetical models for cave sulfates filamentary crystals, based on solutions seeping through porous substrates under some external pressure. The physical models of such seeping are built, and the seepage hypotheses is found to be inconsistent for natural environments. The main genetic mechanism is proved to be only local feeding, based exclusively on capillary pressure together with short-period (seasonal) humidity cycle. In some cases also the major role of sulfatereduction processes is found. Some new aggregates, based on filamentary crystals growth, are described. Введение Нитевидные и игольчатые кристаллы гипса (в отдельных случаях - других сульфатов), а также их агрегаты (антолиты, "бороды", "паутина", "ежи") широко распространены во многих пещерах, и в общих чертах достаточно изучены. Три наиболее существенные работы по нитевидным кристаллам [4, 5, 9] предлагают вполне убедительные механизмы кристаллизации в приповерхностной зоне пористых субстратов как в условиях пересыщенных, так и в условиях недосыщенных растворов. Вместе с тем, описанные механизмы подачи раствора (фильтрация под воздействием внешнего давления) для большинства наблюдаемых агрегатов представляются совершенно неубедительными. В данной работе будут рассмотрены генетические особенности наиболее конфликтующих с общеупотребительными генетическими моделями агрегатов, а также ряда агрегатов, ранее не описывавшихся. Все они относятся к агрегатам контакта карбонатных пористых субстратов с воздухом. Практически весь рассматривающийся фактический материал происходит из пещер системы Кап-Кутан (Туркменистан, хр. Кугитангтау), но описываемые особенности характерны для большинства пещер карбонатного карста с сульфатной минерализацией [11]. Рост на поверхности твердых субстратов Типовой гипсовый антолит в пещерах системы Кап-Кутан состоит из нитевидных кристаллов сечением 0.002-0.1 мм (данные по Малишевскому [5] с отбраковкой диапазона 0.1-1 мм как специфичного для глинистого субстрата), всевозможная паутина - зачастую из даже более тонких кристаллов. Это означает кристаллизацию в порах соответствующего сечения. Рассмотрим с точки зрения физики две единственно возможных ситуации постоянной подачи питающего раствора по таким порам. Первая ситуация. Уровень раствора в субстрате держится достаточно глубоко, чтобы создавать в порах мениски "полного профиля". Оценим капиллярное давление. При энергии поверхностного натяжения воды на границе с паром или воздухом , и угле смачивания , соответствующий диапазон для пор диаметром составит: (для паутины - даже больше), с не более, чем 25%-й поправкой на локальные особенности состава воды и смачиваемости субстрата. То есть, для преодоления "гидродинамического аналога трения покоя", должно быть создано давление, в отдельных случаях достигающее 1440 атмосфер. Очевидно, что существование подобных давлений за счет внешних причин в условиях карстовой пещеры просто нереально. Вторая ситуация. При полной водонасыщенности пористого субстрата (мениски отсутствуют) внешними причинами создается только "избыточное давление", а капиллярное уравновешивается. Посмотрим, что это дает в типичном случае. Антолиты в зале Двухэтажном растут на своде небольшого тупика, расположенного под галереей верхнего этажа при толщине перекрытия 1 метр. Для начала рассчитаем расходы раствора. Представив гипотетически затопление верхней галереи раствором и интенсивную осушку нижней галереи, запишем для пор сечением d = 0.1 мм, соответствующих волокнам антолитов в этом зале, закон Пуазейля: . Подставив разность давлений P - P0 = 100 г/см2 (высота столба раствора), длину пор l = 1 м, и вязкость воды при температуре пещеры , получим расход воды в поре , что соответствует линейной скорости раствора не более 40 см/год (это оценка сверху, так как реальная конфигурация поры сложнее цилиндра), что в свою очередь соответствует скорости роста волокон 0.4 мм/год (для исходно насыщенного раствора). Эта цифра вполне согласуется с наблюдаемыми размерами антолитов и возможной длительностью стабильных условий (по наблюдениям быстрорастущих агрегатов). За одним "но". Равномерно микропористых субстратов в природе не существует, размеры пор распределены логнормально, да и известняк всегда трещиноват. То есть, на площади, где наблюдаются описываемые антолиты (несколько квадратных метров), существует достаточное количество пор и трещин, превышающих сечением описываемые на 2 порядка и более. По тому же закону Пуазейля, расход пропорционален четвертой степени диаметра, а линейная скорость - второй. При этом на более крупных порах и трещинах (скорость выше на 4 порядка), согласно приведенным цифрам, теоретической возможности полного испарения уже просто нет, и обязаны появляться обычные сталактиты. Которые в реальности никогда не сингенетичны с антолитами, да и ситуация начинает резко противоречить классической [9, 11] схеме роста антолитов в условиях практически полного отсутствия текущих вод. Легко видеть, что любой смешанный случай из рассмотренных двух ситуаций при таком запасе нереальности цифр будет входить в конфликт с реальностью как минимум по одной из предложенных причин. Итак, внешнее питание для роста агрегатов нитевидных кристаллов сульфатов исключено полностью. Заметим, что этот вывод отнюдь не противоречит классической работе Малеева [4] - в экспериментальной части явно указано, что рост нитевидных кристаллов наблюдается только при оптимальном размере пор используемого субстрата, что подразумевает и малую дисперсию размеров пор. То есть, предложенные Малеевым механизмы верны, но только для искусственных субстратов, для которых подобная оптимальность и выдержанность размеров достижимы. Рассмотрим теперь возможные варианты локального питания, то есть засоса раствора в поры и прокачки по ним тем же капиллярным давлением, которое в таком случае выступает не как препятствие, а как активный фактор. Их снова два - наличие рядом с областью роста агрегатов запаса раствора (озеро, ручей), и сезонная подкачка за счет цикла влажности [12], то есть питание постоянной фильтрацией сквозь субстрат, и питание с субстратом - буфером. Первый вариант, хоть и не может быть теоретически отвергнут, полностью противоречит всей статистике наблюдений [9, 11]. Возможно, в обводненной полости просто невозможна достаточная сухость, чтобы иметь фронт кристаллизации достаточно глубоко в порах. Для второго заметим, что понятие субстрата-буфера отнюдь не означает обязательного его заполнения именно с той же самой стороны пор, с которой идет рост - варианты "разнесения" по субстрату областей периодического увлажнения и периодического усыхания могут быть разнообразны, но при этом текстура антолитовой коры обязана следовать симметрии испарения/конденсации. Как сказано классиком, после того, как все остальные варианты отвергнуты, остающийся истиннен несмотря на всю свою неправдоподобность. Рассмотрим оставшийся вариант внимательно. Итак, увлажнение субстрата во влажный сезон и усыхание в сухой. Граничные условия очевидны и вполне реальны: а) увлажнение не может быть полным - максимальный уровень воды в порах не должен доходить до поверхности, иначе растворение или перекристаллизация агрегата неизбежны; б) субстрат должен содержать достаточное количество гипса или другого сульфата. Здесь реальность несколько менее очевидна. Например, в глыбовом завале на полу зала Надежда обнаружены отдельные известняковые валуны размером 10-15 см, обросшие большим количеством гипсовых антолитов длиной до 4 см и диаметром до 0.3 см, тем самым содержащих на много порядков больше сульфатного материала, чем содержится в известняке, или может содержаться в виде раствора в порах (фото 1). Вместе с тем вариант периодического затопления завала раствором исключен - даже следы перекристаллизации в антолитах отсутствуют. Единственное возможное объяснение - постепенная наработка гипса непосредственно в порах известняка. В пещере идет интенсивная бактериальная сульфатредукция и интенсивное бактериальное сероокисление [3]. Сероводород воздуха, а также нарабатываемая на поверхности глыб сероокисляющими бактериями серная кислота захватываются конденсирующейся во влажные сезоны водой и транспортируются по порам внутрь глыбы, где и принимают участие в наработке очередной сезонной порции гипса. Отметим, что для пещеры Кап-Кутан тяготение растущих на известняке антолитов гипса и эпсомита к зонам, совмещающим интенсивную циркуляцию воздуха (цикл влажности) с интенсивными процессами бактериального серного цикла, прослеживаются отчетливо. Имеются дополнительные свидетельства короткопериодической цикличности кристаллизации. Так, текстура антолитовой коры имеет своеобразную двунаправленную симметрию, однозначно указывающую на циклические процессы - преимущественное расположение антолитов на локальных выступах (форсированное испарение) субстрата в нишах и щелях (форсированная конденсация). Отсутствие различых видов дисимметрии (например, выраженного тяготения антолитов к трещинам) также свидетельствует о подаче раствора без внешнего давления - только в этом случае скорости роста пропорциональны всего первой степени диаметра пор или ширины трещин, что и наблюдается в реальности по степени расщепления агрегатов. Различные ветви антолита, насчитывающего тысячи волокон, имеют разброс длин всего в пределах одного порядка. |
|||||||||
Фото 1. Антолиты гипса длиной до 3 см, растущие на изолированном блоке известняка размером 15 см. Пещера Кап-Кутан, завал в зале Надежды.
Фото 2. Гипсовая "борода" длиной 12 см. Пещера Промежуточная, Паутинный лабиринт.
Фото 3а. Гипсовые иглы: зона расщепления (слева), и два типа скелетного роста (в центре и справа); Толщина всех около 1 см.
Фото 3б. Антолитовидный сросток. Толщина около 1 см.
Фото 4. Квазиэпитаксиальные обрастания. Размер большого кристалла 4.5 см. Пещера Промежуточная, зал Дикобразий.
Фото 5. Изолированные кристаллы перекристаллизованного гипса на псевдогеликтите. Размер кристаллов до 1 см. Видна корродированность поверхности псевдогеликтита со скульптурой, характерной для сернокислой коррозии. Пещера Промежуточная, зал Дикобразий.
Фото 6. "Переходные" формы гипсового обрастания, сохраняющие морфологию кристаллов, аналогичную изображенным на фото 5, но отчасти ориентированные и сливающиеся в сплошное обрастание. Размер кристаллов до 1.5 см. Пещера Промежуточная, зал Дикобразий.
Фото 7. Нитевидные кристаллы гипса на псевдогеликтитах. Длина нитей до 4 см. Пещера Промежуточная, зал Дикобразий.
--- ---------- ------------------- ---------------------------- |
|
||||||||
|
|||||||||