В.А. Слётов К ОНТОГЕНИИ КРИСТАЛЛИКТИТОВЫХ И ГЕЛИКТИТОВЫХ АГРЕГАТОВ КАЛЬЦИТА И АРАГОНИТА ИЗ КАРСТОВЫХ ПЕЩЕР Южной Ферганы
Пояснения к рисункам:
---------------------
Рис.1. Строение кристалликтитовых и кораллитовых агрегатов кальцита (детали)
а - скаленоромбоэдрический дендритный кристалл, б - расщепление скаленоромбоэдрического кристалла, в - промежуточные формы “кристалликтит-кораллит”, г - кораллиты, д - схема геометрического отбора на начальной стадии роста кристалликтитовой коры, е - характерное строение кристалликтитовой коры, ж - зарисовка участка кристалликтитовой коры с ярко выраженной гравитационной текстурой.
Рис.2. Карстовые пещеры с кристалликтитовой корой.Хайдаркан, штольня Капитальная.
Рис.3. Гравитационная текстура кристалликтитов.
Рис.4. “Аномальные” кристалликтиты.
_________________________________________________________________
Анализ строения и выявление условий зарождения, роста и растворения минеральных агрегатов карстовых пещер приобретает особый интерес в виду того, что процесс минералообразования в пещерах отчасти продолжается непосредственно на наших глазах, так что продукты кристаллизации могут быть исследованы одновременно с условиями, в которых эта кристаллизация осуществляется. Особенно ценные результаты дает изучение роли силы тяжести при кристаллизации в карстовых пещерах, влияние этого фактора здесь на редкость разнообразно, велико и заслуживает особого внимания.
Для пещер можно выделить три основных типа сред кристаллизации:
1)застойные пещерные озёра, 2) стекающие под действием силы тяжести водные струи и капли, 3) капиллярные плёнки влаги, покрывающей стенки умеренно обводненных участков пещер. Особое место занимают геликтиты, у которых имеется собственный “внутренний” источник питания в виде центрального осевого капилляра.
В литературе содержатся многочисленные данные относительно продуктов кристаллизации в пещерных озёрах [1] и из свободно стекающих (гравитационных) растворов, объединённых В. И. Степановым под названием “сталактит-сталагмитовая кора” [2]. Агрегаты, формирующиеся в капиллярной пленке раствора, изучены гораздо меньше, они привлекли к себе внимание минералогов в последние годы. За ними укрепилось название кристалликтитовая (кораллитовая) кора. На особенностях этих образований остановимся подробнее.
КРИСТАЛЛИКТИТОВАЯ (КОРАЛЛИТОВАЯ) КОРА КАЛЬЦИТА
Сюда относятся продукты кристаллизации из неподвижных капиллярных плёнок, покрывающих стенки пещер выше горизонтального уровня водоемов. Такие продукты могут быть в одних случаях агрегатами кристаллов и кристаллических дендритов (кристалликтиты), в других - представлять собой агрегаты, сложенные дисимметричными сфералитами и их агрегатами - сфероидолитами и сфероидолитовыми дендритами (кораллиты)(рис.1)*. По-видимому, сюда же должны относиться агрегаты дендритов льда, возникающие за счет непосредственной конденсации Н20 из воздуха. Эти агрегаты по своим структурно-текстурным признакам ничем не отличаются от кристалликтитовых агрегатов кальцита.
Термин “кораллит” и “кристалликтит” впервые предложены М. Щербан, М. Фриман и Д. Каман [5]. В.В. Морошкиным [6] на основе изучения агрегатов кальцита хайдарканских пещер, а также обширного экспериментального материала, показано, что рост кристалликтитовых агрегатов происходит путем кристаллизации вещества из тонкой капиллярной пленки раствора при испарении растворителя или удалении углекислого газа, образующегося при распаде бикарбоната. Такие пленки имеют конденсационное происхождение или возникают за счет медленного растекания воды под очень слабой капелью [2].
Вопрос о структуре и текстуре кристалликтитовых агрегатов специально рассмотрен в работе [6].
Структура коровых агрегатов проявляется во взаимной пространственной ориентировке слагающих индивидов и в способе их нарастания на субстрат. Характернейшей структурной особенностью кристалликтитовых и кораллитовых агрегатов является тенденция к обособленному росту несрастающихся отдельных ветвей дендритов и их “кустов”: между соседними “кустами” обычно остается зазор. Объясняется это тем, что при сближении растущих индивидов резко замедляется испарение растворителя (отдача СО2) с поверхности покрьтвающей их капиллярной пленки вследствие того, что оторвавшись от одной поверхности, молекулы Н2О либо СО2 тотчас попадают на другую. Поэтому рост кристаллов прекращается до их соприкосновения.
Второй особенностью структуры агрегатов кристалликтитового типа является своеобразное проявление в них закона геометрического отбора, реализующегося здесь без непосредственного соприкосновения индивидов. Первоначально кристаллы зарождаются на субстрате в произвольной ориентировке. Однако при дальнейшем росте в несомненном преимуществе оказываются те из них, для которых направление наиболее быстрого роста кристалла совпадает с направлением наиболее интенсивного массопереноса, т.е. с направлением, обычно перпендинулярным поверхности субстрата. Наиболее выступающие над субстратом кристаллы (части кристалла) находятся в наиболее выгодных условиях массообмена с окружающей средой и растут быстрее. Поэтому в кристалликтитовых агрегатах перерастают в крупные дендриты и кусты только кристаллы, ориентированные осью L3 (для скаленоромбоэдрических кристаллов кальцита, преобладающих в пещерах, это направление их вытянутости и, соответственно, наибольшей скорости роста) перпендикулярно субстрату.
Кристаллы, ориентированные удлинением перпендикулярно субстрату, растут с существенным опережением, вследствие чего их “сферы питания” перекрывают, захватывают “сферы питания” соседних кристаллов, и те прекращают свой рост. Более того, при этом наблюдается резкое искажение формы кристаллов. В пределах каждого кристалла те из пирамид нарастания, грань - основание которых попадает в “перекрытую” область питания, прекращают или существенно замедляют свой рост. В этом отношении показательна зональность кристаллов на начальной стадии роста. Она показывает, что рост каждого кристалла идет только в направлении неперекрытых соседями “сфер питания” (рис.1, д). В случаях, когда кристаллы кальцита зарождаются поодиночке на значительном расстоянии друг от друга (2-З см), наблюдается равномерный рост как “стоячих”, так и “лежачих” кристаллов. Многочисленные наблюдения указывают на непостоянство критического расстояния между кристаллами, необходимого для взаимного подавления их роста.
В связи с изложенным невозможно согласиться с утверждением В.В. Морошкина [6] об изначально нормальном нарастании кристаллов кристалликтитовой коры на субстрат.
В текстуре агрегатов кристалликтитового типа проявляется их положение относительно выступающих элементов субстрата относительно рельефа субстрата и относительно направления силы тяжести.
Резкое увеличение мощности кристалликтитовой коры на различного рода выступах субстрата является наиболее характерной её особенностью. В углублениях, в небольших ямках и трещинах мощность кристалликтитовой коры минимальна. Эта закономерность проявляется независимо от положения кристалликтитов (кораллитов) на стенках, своде или поде пещер. Она является, с одной стороны, следствием различной интенсивности испарения растворителя с поверхности переменной кривизны. На выступах процесс испарения, а следовательно, и процесс кристаллизации, идёт наиболее интенсивно.
С другой стороны, существенными оказываются элементарные преимущества роста агрегата на выступающих вперед участках подложки, так как здесь массообмен с окружающей средой идёт интенсивнее. Сферы массообмена выступающих участков агрегата перекрывают сферы массообмена соседних кристалликтитов в углублениях, рост последних подавляется (рис.1, е).
Отмеченная особенность текстуры кристалликтитовой коры не противоречит и возможности конденсационного механизма её отложения. Убедительным свидетельством тому могут служить, к примеру, конденсационные агрегаты дендритов льда (иней), имеющие аналогичную текстуру. При быстрой кристаллизации как за счет испарения растворителя (СО2) с поверхности капиллярной плёнки, так и за счет конденсации из газовой фазы, положение кристаллов на выступах субстрата оказывается наиболее выгодным в отношении массообмена с окружающей средой.
Влияние силы тяжести на строение кристалликтитовых агрегатов и соответственно роль гравитационного массопереноса при их росте, до сих пор не были отмечены. Тем не менее в большинстве пещер Хайдаркана кристалликтитовая кора обладает явно выраженной гравитационной диссимметрией. При рассмотрении отдельно взятого небольшого участка поверхности пещеры, гравитационная текстура часто не устанавливается, обращает внимание на себя только резкая неравномерность развития кристалликтитов на выступах и в углублениях субстрата. Однако мощность и строение кристалликтитовой коры на своде и поде пещеры в целом оказываются различными.
для карстовых полостей в виде крутопадающих щелей или труб характерна локализация кристалликтитовой коры в самых нижних частях пещеры (рис.2,а). На рис.2,6 показана схематическая зарисовка небольшой пещеры с кристалликтитовой корой характерного строения.
Обращает на себя внимание закономерное изменение мощности коры. Наибольшей величины она достигает на поверхности пода пещеры. Вверх по стенам мощность коры уменьшается, а поверхность свода пещеры лишена кристалликтитовых образований. На обращенных кверху поверхностях глыб и выступов стенок пещеры кристалликтитовая кора плотнее (гуще) и толще, чем на обращенных книзу. Растущие вверх участки коры часто сложены агрегатами интенсивно расщепленных кристаллов, дающих переходные формы к шаровидньтм сфероидолитам (кораллиты), в то время как участки коры, продолжающиеся на обращенных книзу поверхностях, сложены отдельными, более совершенными, менее расщепленными кристаллами (рис.1, ж). На обращенных кверху участках поверхности кристалликтовой коры систематически наблюдаются присыпки в виде агрегатов мельчайших беспорядочно сросшихся кристаллов кальцита.
В целом на выступах стенок при переходе от их нижней поверхности к верхней намечается следующая тенденция в изменении строения коры: агрегаты отдельных кристаллов - агрегаты расщепленных кристаллов - сфероидолитовые агрегаты - сфероидолиты с присыпками кристаллов, дающими начало новым зарождениям сфероидолитов и интенсивному ветвлению старых. Таким образом, кристалликтитовой коре присуща гравитационная текстура, проявленная тем интенсивнее, чем в большем масштабе ведется ее рассмотрение.
Местами гравитационная текстура наблюдается и на отдельных кристалликтитовых “кустах” вследствие преимущественного роста кристаллов кальцита по направлению вверх (рис.3). Такие кристалликтиты характерны для пещеры “Розовая”.
Среди кристалликтитовых образований выделяются "аномальные" кристалликтиты в виде кристаллов кальцита, аномально интенсивно разросшихся в направлении главной оси кристалла независимо от направления силы тяжести.
В пещере “Тачка” такие образования в изобилии покрывают потолок и местами стенки полости. Это сильно вытянутые (до 15-20см. в длину при толщине 4-8 мм.) призматические кристаллы с ромбоэдрическими головками. Наблюдаются переходные формы от монокристаллов к закономерным дендритам (рис.4, а). Внутреннее строение кристаллов грубоблочное. За счет неравномерной разупорядоченности субиндивидов рост блочных кристаллов местами приводил к произвольному искривлению кристалла в пространстве. Часто наблюдается ветвление аномальных кристалликтитов вследствие зарождения и роста на основном кристалле паразитических кристаллов иной ориентировки.
Встречаются винтообразно закрученные аномальные кристалликтиты (рис. 4, 6)**. Предполагается, что закручивание связано с выходом винтовой дислокации.
Аномальные кристалликтиты следует отличать от геликтитов, имеющих центральный осевой капилляр и растущих за счет поступления раствора по этому капилляру к кончику геликтита. Причина же возникновения аномальных кристалликтитов, очевидно, аналогична причине роста кристаллов - “усов” в растворах [9,10]. Если существуют причины, тормозящие тангенциальное движение слоёв роста (обычно это примеси в растворе), то происходит накопление макроскопических ступеней вблизи источника слоёв. Когда скорость нарастания существенно превышает скорость разрастания слоёв, образуется крутой конус роста, а затем аномально вытянутый в этом направлении кристалл.
Ф. Черо и Л. Муча [11] экспериментальными физико-химическими исследованиями показали возможность осаждения кальцита из воздуха пещер, что также может вызвать рост кристалликтитов, в особенности их аномальных форм. Воздух с относительной влажностью 90-95%, перенасыщенный мельчайшими капельками воды и бикарбонатом кальция, оказывается аэрозолем. Следовательно, в условиях, когда дисперсионной средой является вещество, находящееся в газообразном состоянии, кристалликтиты могут расти за счёт диффузии и конденсации вещества из о кружающего их аэрозоля (“аэрозольный эффект”). Кристалликтитовые агрегаты такого происхождения получили название “пещерного инея”.
Для агрегатов, находящихся в капиллярной пленке, характерно отсутствие даже мельчайших признаков перекристаллизации. Перекристаллизация не происходит в виду крайне малого объёма капиллярной плёнки при значительной площади покрываемого ею кристаллического вещества (в отличии от массы раствора). действительно, за счет малейших колебаний температуры или иных параметров при перекристаллизации происходит попеременно то наращивание, то незначительное растворение поверхности кристаллов, что и приводит в конечном счёте к полному растворению мелких индивидов и к переотложению их вещества на крупные. Но в отличие от массы раствора, капиллярная пленка почти не обладает “массоемкостью”, ее растворяющая способность ничтожно мала. Поэтому даже наиболее “неравновесные” агрегаты, дендриты, сохраняются в ней в течение длительного времени без изменений.
----------------
* Кораллитовые агрегаты предлагается рассматривать как частный случай кристалликтитовых (в порядке усложнения уровня агрегации), а не наоборот [2], поскольку составные элементы кристалликтитов - кристаллы и кристаллические дендриты, а кораллитов - сфероидолиты и сфероидолитовые дендриты, являющиеся логически и во многих случаях, наблюдаемых в пещерах - фактически, - результатом расщепления кристаллов и их дендритов (собств. кристалликтитов). Переходы кристалликтитов в кораллиты и наоборот наблюдаются в пещерах повсместно и обуславливаются главным образом скоростью кристаллизации.
- (прим. автора)
