23 мая 2007 г.

Сталактиты и сталагмиты

Термины "сталактит" и "сталагмит" (от греческого "сталагма" - капля) ввел в литературу в 1655 г. датский натуралист Олао Ворм. Через сто лет в русской литературе появилось не менее образное определение Михаила Ломоносова: "капь"...

Действительно, эти образования связаны с капельной формой движения воды. Мы уже знаем некоторые особенности поведения капли как жидкости. Но это не просто вода, а раствор, содержащий те или иные компоненты. Когда в основании обводненной трещины формируется капля раствора, это не только борьба силы поверхностного натяжения и силы тяжести. Одновременно начинаются химические процессы, приводящие к выпадению на контакте раствора и горной породы микроскопических частиц карбоната кальция. Несколько тысяч капель, сорвавшиеся с потолка пещеры, оставляют после себя на контакте порода/раствор тонкое полупрозрачное колечко кальцита. Следующие порции воды уже будут образовывать капли на контакте кальцит/раствор. Так из колечка образуется все удлиняющаяся трубочка. Самые длинные трубочки (брчки) 4-5 м (пещера Гомбасек, Словакия). Казалось бы, несложна и химическая суть процесса - обратимая реакция

СаСО3 + Н2О + СО2 <- -> Са2+ + 2НСО-3. (1)

При растворении известняка реакция идет вправо, с образованием одного двухвалентного иона Са и двух одновалентных ионов НСО3. При образовании натеков реакция идет влево и из этих ионов образуется минерал кальцит. Но и здесь есть "подводный камень", и даже не один...

Во многих учебниках по географии и геологии образование сталактитов объясняют испарением воды. Не избежал этой ошибки в своих ранних работах и Александр Ферсман. Но мы уже знаем, что в пещерах дефицит насыщения воздуха влагой близок к 0. В таких условиях преобладает не испарение, а конденсация.

Реакция (1) на деле идет в несколько стадий. Сперва вода взамодействует с углекислым газом:

Н2О + СО2 = Н2СО3 <- -> Н+ + НСО-3. (2)

Но угольная кислота слабая и поэтому диссоциирует на ион водорода (Н+) и на ион НСО-3. Ион водорода подкисляет раствор, и только после этого начинается растворение кальцита. Значит, в формуле (1) только один ион НСО3 поступает из породы, а второй - не связан с нею и образуется из привнесенных в карстовый массив воды и углекислого газа. Это на 20-30% уменьшает расчетную величину активности карстового процесса. Рассмотрим лишь один простой пример. Пусть сумма всех ионов, находящихся в воде, составляет 400 мг/л (в том числе - 200 мг/л НСО3). Если мы используем анализ для оценки питьевой воды, то в расчет включаются все 400 мг/л (нам все равно, откуда взялись отдельные компоненты, находящиеся в воде, важно, что они там есть). Но если по этому анализу рассчитывать интенсивность карстового процесса, то в расчет следует включать сумму ионов минус половина содержания иона НСО3 (400-100 = 300 мг/л). Такие ошибки в расчетах имеются в работах многих карстологов мира, в том числе имеющих высокие научные степени и звания.

Затем необходимо оценить, какой перепад парциальных давлений СО2 имеется в системе. В 40-50 гг. считалось, что карстовый процесс идет только за счет СО2, поступающего из атмосферы. Но в воздухе земного шара его всего 0,03-0,04 объемных % (давление 0,0003-0,0004 мм рт. ст.), и колебания этой величины по широте и по высоте над уровнем моря незначительны. А между тем давно подмечено, что более богаты натеками пещеры умеренных широт и субтропиков, а в пещерах высоких широт и больших высот их совсем мало... Изучение состава почвенного воздуха, выполненное группой венгерского спелеолога Ласло Якуча, показало, что содержание СО2 в нем 1-5 объемных %, то есть на 1,5-2 порядка больше, чем в атмосфере. Немедленно возникла гипотеза: сталактиты образуются при перепаде парциального давления СО2 в трещинах (такое же, как в почвенном воздухе) и воздухе пещер, имеющего атмосферное содержание СО2. Последнюю коррективу внесло непосредственное определение СО2 в воздухе пещер. Окончательный "диагноз" гласит: сталактиты образуются в основном не при испарении влаги, а при наличии градиента парциального давления СО2 от 1-5% (почвенный воздух и вода в трещинах) до 0,1-0,5% (воздух в пещерах).

Пока питающий канал сталактита открыт, по нему регулярно поступают капли. Срываясь с его кончика, они образуют на полу одиночный сталагмит. Происходит это довольно медленно (десятки - сотни лет), и поэтому такие тянущиеся другу к другу формы во многих оборудованных пещерах мира получили образное название "вечных любовников". Когда питающий канал зарастет, будет забит глиной или песчинками, одного из любовников ожидает "инфаркт" - повышение гидростатического давления в канале. Его стенка прорывается, и сталактит продолжает расти уже за счет стекания пленки растворов по его внешней стороне. Если вода высачивается вдоль плоскостей напластования и наклонных трещин в своде - возникают ряды сталактитов, бахрома и занавеси самых причудливых форм и размеров.

В зависимости от постоянства водопритока и высоты зала под капельниками образуются одиночные сталагмиты-палки высотой 1-2 м и диаметром 3-4 см; "расплющенные", похожие на пни спиленных деревьев, или конусовидные, напоминающие башни или пагоды формы. Это самые крупные натечные образования пещер, имеющие размеры в несколько десятков метров. Самым высоким сталагмитом в мире сейчас считается 63-метровый гигант в пещере Лас Вильяс (Куба), а в Европе - 35,6-метровый, в пещере Бузго в Словакии. При срастании сталактитов и сталагмитов образуются сталагнаты, постепенно превращающиеся в колонны. Отдельные из них достигают 30-40 м (высота) и 10-12 м (диаметр). При стекании в виде пленок и плоских потоков образуются каскадные натеки самых разных форм и размеров.

Кроме перечисленных широко распространенных форм в субаэральных условиях (то есть в воздушной среде) образуются всевозможные причудливые образования, напоминающие цветы (антодиты), пузыри (блистеры, баллоны), кораллы (кораллоиды, попкорн, ботриоиды), спирали (геликтиты) и пр. Наибольшее удивление и у обычных посетителей, и у специалистов вызывают геликтиты. Самые крупные из них, длиной 2 м, описаны в Джаул-Кейв (ЮАР). В Новой Зеландии описан спиральный гипсовый геликтит "Пружина" длиной 80 см (Флуур-Кейв). Огромные гипсовые "лапы" длиной 5-7 м описаны в пещерах Кап-Кутан (Туркмения) и Лечугия (США). Механизм образования подобных форм до конца не разгадан, их изучением занимаются минералоги многих стран. В последние годы зародилась новая, аэрозольная гипотеза образования некоторых субаэральных форм. Так перебрасывается мостик между изучением конденсации и ионизации воздуха и проблемами спелеогенеза.

Не менее разнообразны субаквальные формы. На поверхности подземных озер образуется тонкая минеральная пленка, которая может прикрепиться к стене ванночки или к сталактиту, достигшему уровня воды, превратившись в тонкую пластинку. Если уровень воды в ванночке колеблется, то образуется несколько уровней нарастания, напоминающих кружевные оторочки. В слабо проточных ванночках и руслах подземных рек образуются натечные плотины-гуры, имеющие высоту от нескольких сантиметров до 15 м (Лос Бриджос, Бразилия). На дне ванночек или в микроуглублениях в теле натека часто образуются пещерные жемчужины, как и настоящий жемчуг, состоящие из десятков концентров нарастания. Особняком стоит удивительное образование - "лунное молоко". В разных условиях оно может быть полужидким, сметаноподобным, плотным, как творог, сыпучим, как мука. При высыхании лунное молоко превращается в тонкую белую пыль, и спелеолог, вылезающий из узкой вертикальной трубы-камина, похож на "антитрубочиста". Лунное молоко имеет около сотни синонимов, его образование "объясняют" более 30 гипотез. Единой теории пока нет, как нет, вероятно, и одной формы "лунного молока" - оно полигенетично...

Как указывали известный русский минералог Д. П. Григорьев (Санкт-Петербург) и один из лучших диагностов пещерных минералов мира - В. И. Степанов (Москва), многообразие форм пещерных отложений объясняется особенностями их онтогенеза: зарождения, избирательного роста и вторичных изменений. В этом направлении пещеры открывают широчайшие возможности кристаллографу и минералогу, лишь бы сохранить натечное убранство до их прихода... К сожалению, исследования тонкостей минералогии и геохимии пещер - пока удел любителей. Эти трудоемкие работы не находят заказчика - натечные отложения пещер, определяя их внешнюю красоту, в основном не имеют значения в практике.

С 70-х гг. XX в. положение начало потихоньку меняться: через внешнюю "экзотику" форм все ощутимее стали просвечивать внутренние закономерности, имеющие не только минералогический интерес. Приведем лишь несколько примеров. В 1970 г. Г. А. Максимович, обобщив разрозненные данные из многих пещер мира, доказал, что карбонатные натеки разной морфологии и размеров образуются при разной интенсивности водопритока. Так, покровные натеки и плотины образуются при расходе воды 1-0,01 л/с; конусовидные сталактиты от 0,0005 до 0,00001 л/с; эксцентричные формы - менее 0,000001 л/с. Блестящее предвидение русских минералогов Н. П. Чирвинского и А. Е. Ферсмана о значении ориентированного роста минералов сейчас развернуто в стройную концепцию естественных отвесов и уровней. В 80-е гг. она была блестяще использована для реконструкции новейших тектонических движений в карстовых районах Италии и Франции в связи со строительством атомных станций. Годичные циклы сталактитов и сталагмитов, хорошо видимые на рис. 64, оказались лишь частным случаем проявления космических ритмов.

В талантливой книге геолога и спелеолога Владимира Мальцева "Пещера мечты. Пещера судьбы", изд-во "Астрель", 1997 - минералогии одной из красивейших пещер мира - Кап-Кутан в Туркменистане - посвящена целая глава. Парадоксальное название ("Наука дилетантов") не помешало автору популярно, но в то же время - вполне профессионально рассказать о современных представлениях о формировании многих минеральных образований пещер - от простейшего сталактита до таинственного эксцентрика.

Очень интересен и химический состав водных хемогенных отложений. А. Е. Ферсман еще в начале XX в. писал, что традиционные представления о кальците как основном минерале пещер верны лишь отчасти. В 80-е гг. в фундаментальной сводке обаятельного американского минералога Карол Хилл и темпераментного итальянского спелеолога Паоло Форти приведены данные о 186 минералах пещер мира. На первом месте по количеству минеральных видов (числитель) стоят рудные минералы. По числу форм, в которых они кристаллизуются (знаменатель),- карбонаты. Всего под землей встречены минералы 10 классов: рудные - 59/7; фосфаты - 34/4; минералы разных классов - 28/6; оксиды - 12/19; силикаты - 11/14; карбонаты - 10/27; сульфаты - 10/16; нитраты - 6/4; хлориды - 4/9; гидрооксиды - 4/3. Подтвердилось и предвидение А. Е. Ферсмана о формировании минералов пещер в разных геохимических обстановках. Очевидно, не все они выявлены и охарактеризованы. В частности, только начинается изучение минералогии термальных пещер.

Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга