Электронная версия. Полная опубликована в Journal of Cave and Karst Studies, vol. 59, No.2, 1997, а также в 1996-м в "Литологии и полезных ископаемых", номер не помню.

переход к английской версии

 

В.А.Мальцев

ВНИИГЕОСИСТЕМ

 

МОДЕЛЬ ГЕНЕЗИСА ГИПСОВОГО "ГНЕЗДА" ПЕЩЕРЫ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ (КУГИТАНГТАУ, ТУРКМЕНИСТАН)

 

РЕФЕРАТ. В статье предлагается и обосновывается модель структуры и механизмов роста "гнезд" - исключительно редко встречающихся агрегатов игольчатых кристаллов гипса, растущих на массивах усыхающих глин, не поддающихся никаким прямым методам исследования. Предлагается трактовка "гнезда" как винтового сферокристалла с суб-индивидами, обособленными коррозией, и получившими дальнейший самостоятельный рост.

ABSTRACT. A model of structure and genesis for the gypsum "nest", found in the Geophysicheskaya cave (Kugitangtou mountains, Turkmenistan). The paper considers possible structure and genetic mechanisms for "gypsum nests" - very rare speleothems, growing from drying clay massifs and consisting from gypsum needles. Theoretical modelling is the only way for studying such complicated and delicate formations. The model suggested considers a "nest" as a screw-dislocated spherocrystal with its sub-individuals, separated by corrosion on some stage, and having separate growth on later stages.

Уникальное гипсовое образование, обычно называемое "гнездом" (фото 1), известно в пещерах хребта Кугитангтау в единственном экземпляре. В то же время существует полный его аналог в пещере Lechuguilla, что позволяет говорить не о случайности или типоморфизме, а о существовании некоторого вполне детерминированного механизма формирования подобных минеральных агрегатов. Вполне естественно, что в силу уникальности, хрупкости, и красоты образования, никакое его непосредственное исследование невозможно, поэтому единственный путь - построение теоретической модели.

"Гнездо" расположено на большом массиве усыхающих аллювиальных глин, на площади в несколько десятков квадратных метров (там, где условия циркуляции воздуха оптимальны), всевозможными гипсовыми иглами, "ежами", скоплениями "ваты", и.т.д., то есть практически всеми возможными разностями нитевидных кристаллов и их агрегатов, возможными для пластичных субстратов. Само "гнездо" представляет собой полый внутри ориентированный пучок из нескольких тысяч закрученных вокруг общей оси против часовой стрелки игл толщиной ориентировочно 0.1 - 0.5 мм, и длиной до 40 см. Диаметр всего агрегата около 30 см. Центральная полость имеет форму воронки, и в ней строго по оси расположена одна игла толщиной около 1 мм. Агрегат растет на практически горизонтальном полу, и имеет угол наклона приблизительно 20╟. Окружающие иглы в массе короче и значительно толще.

Механизмы кристаллизации нитевидных кристаллов при росте из усыхающей глины [4,6,7] отрицают какие бы то ни было виды симметрии текстуры коры кроме симметрии шара, и любые виды дисимметрии кроме продиктованных формой поверхности субстрата и имеющих своей физической основой расстояние между поверхностью и зеркалом воды в порах. Все остальные факторы, как то локальные неоднородности воздушной циркуляции или рыхлости субстрата, могут приводить только к типоморфным особенностям текстуры агрегатов и кор. Поэтому объяснение росту подобных агрегатов следует искать не в факторах массопереноса, а в факторах, непосредственно связанных с физикой кристаллизации, то есть, в факторах, определяющих рост не агрегата или коры, а индивидов.

В монокристаллическом случае единственной причиной, могущей вызывать столь регулярное закручивание, являются винтовые дислокации кристаллической решетки. Дополнительным свидетельством этого является закручивание именно против часовой стрелки, характерное для гипса [8]. В то же время, кристаллы с винтовой дислокацией встречаются достаточно редко, в том числе и на описываемой "глиняной лужайке", и их столь массовое появление на столь локальном участке разумных объяснений не имеет.

Рассмотрим единственно представимый вариант, при котором конфликта со статистикой не происходит - при котором данный агрегат следует рассматривать скорее как индивид, а именно - как единственный расщепленный кристалл с винтовой дислокацией. При принятии этой концепции сразу две главных морфологических особенности "гнезда" становятся понятны - и систематическое закручивание игл при их приблизительно равной длине (распространение одной и той же дислокации глобально на весь индивид [2,3,8]), и то, что "гнездо" резко выделяется из пейзажа при отсутствии локальных неоднородностей субстрата (винтовые кристаллы обладают существенно более высокой скоростью роста [2,3]). В то же время механизм кристаллизации пока остается неясен - нитевидные кристаллы растут "основанием", а сферолитовые пучки со столь малой связностью, как у "гнезда", в обычных условиях растут только головками суб-индивидов.

Известно, что растущие из усыхающих глин пещер нитевидные кристаллы сульфатов имеют ряд следующих свойств [4,7,8,9]:

а) наличие вблизи "корня" зоны расщепленного роста, далее переходящей в зону скелетного роста;

б) при частичном перекрытии этих зон появление дендритных игл (вполне согласно определению из [2], что дендрит есть расщепленный скелетный кристалл);

в) в отдельных случаях, когда степень расщепления высока, появление игл со свойствами сферокристалла - то есть с полным распространением физических свойств кристаллической решетки базового суб-индивида на весь индивид, при котором и возможно синхронное распространение винтовой дислокации;

г) в местах интенсивного сезонного цикла влажности "корни" игл всегда подрастворены.

Посмотрим, можем ли мы с учетом вышеперечисленных свойств представить условия, приводящие к формированию агрегата, подобного "гнезду". Рассмотрим следующую последовательность событий:

1) Формирование расщепленной гипсовой иглы со свойствами сферокристалла [1], не прорастающей на поверхность, и тем самым имеющей только зону расщепленного роста. Как показано в [4], 4-5-кратная степень пересыщения раствора, необходимая для расщепления гипсового кристалла [5], достигается легко. Капиллярное давление в порах субстрата измеряется десятками атмосфер, растущий в пластичном субстрате кристалл физически зажимает окружающие поры, выжимая из них раствор к самому себе, и вот здесь за счет резкого скачка давлений и возникает пересыщение. Нет никаких теоретических запретов на существование винтовых дислокаций в подобной игле, более того, в [4] приводятся примеры "антолитовидных сростков", имеющих именно такие свойства и генезис.

2) Однократное паводковое затопление, приведшее к 30-50%-му растворению иглы. Формы растворения сферолитов и сферокристаллов широко известны, хотя нигде подробно и не описаны. Один из наиболее типичных вариантов в случае, когда коррозии равно доступны как "центр", так и "периферия" сферолита, неоднократно наблюдавшийся автором для гипсовых сферолитов - "рассыпание" его на слабосвязанные, если вообще связанные, радиальные иглы - реликты суб-индивидов. В исследуемом случае имеет место как раз такой случай, и подобное "рассыпание" вполне реально. Отметим, что термин "рассыпание" здесь не вполне корректен - так как все происходит в толще субстрата, нарушения положения реликтов в пространстве не произойдет даже при высокой степени растворения - они только обособятся.

3) Восстановление режима постепенного усыхания массива глины, и тем самым - восстановление условий роста нитевидных кристаллов. Понятно, что при наличии вышеописанного реликта каждая игла получит самостоятельный рост, сохраняя при этом единую винтовую дислокацию всего пакета.

4) Процесс выжимания раствора из окрестных пор будет происходить, но с некоторыми особенностями. Ввиду большой концентрации игл на малой площади и невозможности блокирования их роста друг другом (зона конкурентного роста пройдена на 1-м этапе), будет некоторый дефицит выжимаемого из окрестных пор раствора. Это приведет к тому, что рост игл пакета в толщину будет ограничен (иглы тоньше, чем в окружении), а также к тому, что рост в толщину будет выражен в скелетизации, а не в дальнейшем расщеплении.

5) Даже такой ограниченный рост в толщину приведет к существенному изменению морфологии пакета. Угол расхождения в исходном пакете, согласно имеющейся статистике расщепленных игл, составляющий 5-10╟, за счет взаимного кристаллизационного давления, увеличится в несколько раз, превратив тем самым конус во фрагмент однополостного гиперболоида, а сами иглы получат закручивание, приводящее к их выстраиванию по образующей гиперболоида.

6) При выходе игл на поверхность сохранится то направление, которое было у них "на срезе" субстрата, с единственной поправкой на искривление игл под действием собственного веса.

Таким образом, мы получили модель структуры и механизма роста минеральных тел, подобных "гнезду" (нечто среднее между индивидами 3-го порядка и агрегатами). Эта модель, несмотря на изрядное пространственное воображение, необходимое для принятия концепции "винтового сферокристалла с обособившимися суб-индивидами, да еще и с чертами как нитевидного, так и скелетного роста" (как не вспомнить классическия анекдот про Василия Ивановича и квадратный трехчлен), достаточно реалистична, и вместе с тем достаточно проста, чтобы иметь ее в качестве рабочей модели. Кроме того, она объясняет и некоторые другие сходные объекты, встречающиеся несколько чаще - линейно вытянутые массивы ориентированных игл, которые теперь могут быть объяснены как "нормальные" сферокристаллические иглы с обособленными растворением суб-индивидами. Возможно, что и просто плотные "кусты" и "ежи" из игл, также имеют объяснением аномальной плотности роста игл сходные процессы.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А.Годовиков, О.И.Рипенеш, В.И.Степанов. Сферолит, сферокристалл, сфероидолит, ядросферолит//Новые Данные О Минералах. Москва, 1989, вып.36.

2. Д.П.Григорьев, А.Г.Жабин. Онтогения минералов. Индивиды. М.,1975

3. М.Н.Малеев. Свойства и генезис природных нитевидных кристаллов//М:Наука,1971

4. В.А.Мальцев. К онтогении минеральных агрегатов пещер: нитевидные кристаллы сульфатов//Деп. РСИЦ 15.12.95 N001-А95, 11с.

5. Г.В.Руссо. Расщепление кристаллов гипса//Записки ВМО, 1981, т.110, вып.2, с.167-171

6. В.И.Степанов. Периодичность процессов кристаллизации в карстовых пещерах//Труды мин. музея им. Ферсмана. Москва, 1971, вып.20, с.161-171

7. R.Casali, P.Forti. I cristalli di gesso del Bolognese//Speleol. Emiliana, ser.2, v.1, no.7, p.1-24.

8. C.Hill, P.Forti. Cave minerals of the world. NSS, 1986, 238 p.

9. V.A.Maltsev. The influence of season changes of the cave microclimate to the gypsum genesis//Proc.10th Int.Cong.Spel.Vol. III.Budapest,1989, p.813-814