Процесс образования сталактитов в карстовых пещерах отражает уравнение

Известковая сосулька. Образование сталагмитов и сталактитов

Посетители карстовых пещер могут наблюдать уникальное по своей красоте зрелище – группы сталактитов и сталагмитов. Они вырастают хаотичными нагромождениями и складываются в большие и маленькие группы. А вы знаете, что это вообще такое? Как они образуются и чем различаются между собой?

Начнем с азов. Почему пещеры карстовые

Земная кора неоднородна по составу. На этапе формирования суши и мирового океана образовывались различные горные породы и минералы. Так, например, вулканическая деятельность с высокой температурой и давлением привела к появлению базальта и гранита. А вот залежи водорастворимых пород, таких так известняк, мел или гипс, образовались в менее экстремальных условиях. Миллионы лет вода подтачивала и вымывала эти породы, оставляя за собой большие и малые пустоты. Так появились пещеры, которые стали называть карстовыми. Дело в том, что карст – это пустота внутри какого-то тела. Большая часть известных пещер — карстового происхождения. Однако известны и другие процессы образования пещер, но в них не бывает сталактитов и сталагмитов.

Как появились термины «сталактит» и «сталагмит»

Термины «сталактит» и «сталагмит» ввел в обращение датский натуралист Оле Ворм. Произошло это в 1655 году. Оба термина имеют отношение к греческому языку. Сталактит переводится как «натекший по капле». То есть это своеобразная известковая сосулька, свисающая с потолка карстовой пещеры. Хемогенное образование иногда состоит не из известняка, а из других осадочных пород. По форме сталактиты напоминают ледяные сосульки, бахрому, тонкие соломинки или гребни с разноуровневыми зубцами.

Сталагмит в переводе означает «капля». Это натечная минеральная (известковая) сосулька, которая конусом или столбом растет со дна пещеры. Иногда основным строительным материалом для сталагмита является не известковая порода, а гипс или соль. Но это нечастое явление.

Процесс образования

Форма и размеры известковых наростов и сосулек зависят от величины пещеры и ее расположения. Даже в самой плотной породе есть трещинки и микрощели, через которые внутрь карстовых пещер просачивается вода. Дождям и снегу приходится преодолевать долгий и трудный путь, вымывая по дороге кальций и другие материалы. Поры, сквозь которые влага просачивается внутрь, очень маленькие. Из-за этого вода не сбегает ручейками, а капает с потолка пещер. Каждая капелька несет с собой малое количество осадочных пород (в основном известняка). Затем капля испаряется, а порода, растворенная в ней, остается на потолке или падает на пол. Таким образом создается известковая сосулька, что в пещере висит под сводом, или появляется осадочный нарост, поднимающийся навстречу. В результате пещера приобретает мистически-сказочный вид, рождающий легенды о подземном царстве.

Несмотря на то что процесс идет везде по одному сценарию, в мире не существует одинаковых пещер. Более того, каждый «зал» в пещере уникален. Природа не допускает повторений.

Скорость образования

Образование сталактитов и сталагмитов – процесс длительный. По приблизительным подсчетам ученых, чтобы подрасти на 1 см, им требуется около 100 лет. Скорость роста зависит от скорости капели, влажности внутрипещерного воздуха, температуры и состава растворенных пород. Точные расчеты роста сделать невозможно. При попытках исследований группы ученых получали настолько противоречивые результаты, что привести их к «общему знаменателю» оказалось невозможным. Поскольку исходные данные, такие как интенсивность капели, высота падения, скорость испарения, количество осадочных материалов и так далее, постоянно изменялись. Иногда известковая сосулька вообще прекращала рост на несколько сотен лет.

Как могут выглядеть сталактиты и сталагмиты

Сталагмиты всегда толще и крупнее сталактитов, поскольку вся попавшая с водой осадочная порода, стекает вниз по стенкам, достраивая нарост. Кроме того, сталактиты иногда падают под своим весом, а сталагмиты – нет.

Если движение капель воды не нарушается, то сталактит и сталагмит «спаиваются» в подземную колону. Такая известковая сосулька называется сталагнат. Иногда сталагнаты срастаются и разделяют залы известковой драпировкой.

На наклонных сводах пещер сталактиты имеют форму полос, которые образовывают паруса. Они могут быть ровными и волнистыми. Необходимо понимать, сколько бы пещер вы ни осмотрели, все сталактиты будут уникальны.

Как образуются сталактиты и сталагмиты?

(Изображение предоставлено: Getty)

Сталактиты и сталагмиты украшают пещеры по всему миру. С потолка свисают сталактиты, а из земли поднимаются сталагмиты. Они растут невероятно медленно, а некоторые из них настолько древние, что старше современного человека.

Согласно веб-сайту Службы национальных парков США, эти похожие на зубы скальные образования растут, когда капающая вода вступает в контакт с воздухом пещеры. Вода несет растворенные минералы, собранные в пути с поверхности Земли. Проходя через пещеру, она оставляет за собой крошечные следы этих минералов, выстраивая каждый сталактит капля за каплей. (1)

Какой формы бывают сталактиты?

Большинство сталактитов имеют форму конуса: толстый вверху и сужающийся к концу внизу. Но некоторые являются пустыми. По форме напоминающие соломинки, эти сталактиты растут, когда вода стекает по их центру. Когда каждая капля испаряется, на дне соломинки остается еще одна оболочка из минералов.

Пещерные соломинки невероятно хрупкие и часто крошатся при малейшем прикосновении, что делает их редкой находкой в ​​часто посещаемых пещерах. (2)

Некоторые сталактиты в форме соломинок, кажется, не поддаются гравитации. Эти структуры, известные как геликтиты, имеют изгибы, уступы и бугорки, которые наклоняются во всех направлениях. По данным Ассоциации космических исследований университетов, ученые точно не знают, как они образуются, но считают, что это может быть связано с сочетанием капиллярного эффекта и ветра. (3)

Небольшие изменения в воздушных потоках пещеры или в ориентации кристаллов в растущем сталактите могут унести мельчайшие капельки воды в новых направлениях. Вместо того, чтобы капать на пол под действием силы тяжести, они движутся вбок или даже вверх, оставляя свои минералы позади.

Что содержат сталактиты и сталагмиты?

Каждая капля воды содержит растворенные частицы известняка. Они твердеют, когда соприкасаются с воздухом. (Изображение предоставлено: Getty)

По данным Королевского химического общества, большинство сталактитов, которые вы видите в пещерах, сделаны из карбоната кальция. Он образует два основных типа кристаллов: кальцит и арагонит. Они имеют химическую формулу CaCO3. (4)

По этой причине сталактиты обычно появляются только в пещерах, где окружающие породы содержат кальций в виде известняка или доломита.

Сталактиты также могут нести следы других химических веществ, которые придают им разные цвета и текстуры. Этими химическими веществами являются карбонаты, сульфиды и даже опал.

Помимо сталактитов известняковые пещеры часто содержат сталагмиты. Эти структуры образуются на полу, с толстым основанием и острием, обращенным к потолку пещеры. Согласно Энциклопедии пещер (третье издание, 2019 год), некоторые из них плоские, а другие длинные и тонкие. (5)

Сталагмиты часто образуются прямо под сталактитами, вымывая любые минералы из капель воды, падающих на пол пещеры. Однако два типа пещерных украшений не всегда образуются парами: любой из них может появиться сам по себе.

Внутри пещеры

(Иллюстрация: Эд Крукс/Future PLC)

Другие особенности пещеры

Известняковые пещеры могут также содержать другие виды пещерных украшений. Согласно журналу Transactions of the Royal Society of South Africa, сталактиты и сталагмиты являются типами капельных камней, названных так потому, что они образуются из капающей воды. Но вы также можете увидеть натёчные камни и «пещерный попкорн». (6)

По данным Национального парка Йоркшир-Дейлс, Великобритания, натёчные камни появляются, когда вода стекает по стене пещеры слоями. Они похожи на завесы из сталактитов, свисающие вместе, как водопад, застывший во времени. По данным Американского геофизического союза (AGU), иногда известняки содержат слои цвета из минералов, оставленных водой, из-за чего их называют «пещерным беконом». (7, 8)

Пещерный попкорн образуется там, где вода проходит через поры в скале, образуя шишки и бугорки, похожие на ягоды.

Бугорки на стене этой пещеры называются пещерным попкорном. (Изображение предоставлено: Getty)

Химия известняковых сталактитов

Сталактиты и сталагмиты образуются, когда дождевая вода просачивается через известняковую скалу. По данным Службы национальных парков США, по пути она собирает углекислый газ из воздуха и любых органических веществ, через которые она проходит. Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую кислоту, называемую угольной кислотой. Эта кислота может растворять известняк, реагируя с минеральным кальцитом и вытягивая его в воду в виде бикарбоната кальция.

Когда вода просачивается в пещеру, она снова вступает в контакт с воздухом. Там она выпускает углекислый газ, а кальций выходит из раствора, снова образуя твердый кальцит.

Как они образуются

(Иллюстрация: Эд Крукс/Future plc)

Странные сталактиты

Знаете ли вы, что сталагмиты и сталактиты не всегда можно найти в пещерах? Вы можете увидеть их под бетонными зданиями, в лавовых трубках и даже зимой свисающими с крыши вашего гаража в форме сосулек. Это связано с тем, что сталагмиты и сталактиты не всегда сделаны из известняка.

Ледяные сталактиты, вероятно, являются наиболее распространенным типом сталактитов. Согласно статье 2019 года в Энциклопедии пещер, они образуются, когда вода достаточно холодная, чтобы замерзнуть, а погода достаточно солнечная, чтобы снова вызвать таяние. Растаявшая вода стекает вниз и снова замерзает, прежде чем упадет на землю. (9)

Ученые из Кембриджского и Аризонского университетов использовали фотографии, математику и физику, чтобы выяснить, почему сосульки острые. Они заметили, что, когда вода стекает вниз, она смешивается, образуя слой. Этот слой отдает тепло, создавая теплый воздушный карман вокруг сосульки. Теплый воздух поднимается вверх, а это значит, что вода быстрее замерзает внизу сосульки, отчего они удлиняются и утончаются на кончике.

Нохоч-Нах-Чич, Мексика. Эти сталактиты и сталагмиты являются частью самой длинной подводной пещерной системы в мире. (Изображение предоставлено: Getty)

По данным Королевского химического общества, еще один вид сталактита, который вы можете увидеть в повседневной жизни – это бетонный сталактит. Вы можете найти их на автостоянках и даже на трубах в вашем доме. Бетон содержит оксид кальция, который растворяется при прохождении через него щелочной жидкости. Когда эта жидкость попадает в воздух, кальций выходит из раствора, образуя твердое вещество, называемое кальтемит. Если капли идут достаточно быстро, могут начать формироваться сталагмиты из кальтемита. (10)

Другие странные сталактиты найти немного сложнее. По данным Международного журнала спелеологии, внутри лавовых трубок – туннелей, которые несут расплавленную породу под землей – образуются лавовые сталактиты. Когда потолок лавовой трубки начинает остывать, он покрывается наружным слоем. Под ним горячие газы продолжают расширяться, надавливая на наружный слой и растягивая его, образуя полые трубки, которые затвердевают и превращаются в твердую породу. (11)

Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».

Карстовые пещеры — образование и стадии развития

Лекция

Карстовые пещеры — образование и стадии развития.

Пещерами принято называть подземные полости, имеющие выход на поверхность и не освещаемый солнечным светом объем. Пещеры бывают:

Пещеры в не карстующихся породах.

— Пещеры вулканического происхождения: тоннели и коридоры в застывших лавовых потоках – сверху лава в контакте с воздухом быстрее остывает и затвердевает, внутри – течет, образуя полости (небольшие полости в Приморском крае известны на Зевском и Шкотовском плато, пещера возле села Кравцовка.)

— Подземные полости в некарстующихся породах образованные в результате морской абразии (разрушающее действие волн).

Данные пещеры ввиду своих зачастую небольших размеров редко интересуют спелеологов.

Это собственно те пещеры, которые и представляют интерес для спелеологов.

На Дальнем Востоке задокументировано около 200 карстовых пещер.

Слово карст – искаженное слово КРАС ( Kräs ) – название горного района в Словении, где много пещер. По этому имени стали называть другие пещеры такого типа.

Образование карстующихся пород.

Две классические карстующиеся породы – известняк и гипс. Эти породы называют осадочными, что подчеркивает их происхождение: результат биогенного осадка в водах древних морей.

— в древние времена сотни млн. лет назад (в Приморском крае существуют известняки датированные к Силуру, Карбону, Мелу, Юре, но в большей степени к Перми) в морской воде происходил процесс разрастания и отмирания живых организмов, интенсивно использующих для строительства своих оболочек кальций. Вода при этом представляла собой насыщенный раствор углекислого кальция. Отмершие оболочки опускались на дно и накапливались вместе с отложениями, выпадающими в осадок из раствора в результате климатических изменений;

— за млн. лет на дне пластами накапливалась известняковая масса;

— под давлением известняковый осадок менял структуру, превращаясь в лежащий горизонтальными пластами камень;

— в момент подвижек земной коры море отходило, и бывшее дно становилось сушей;

— Были возможны два сценария развития событий:

1) пласты оставались почти горизонтальными и неторнутыми

2) дно выпячивалось образуя горы, при этом целостность известняковых пластов нарушалась, в них образовывались многочисленные поперечные трещины и разломы. Так образовывался будущий карстовый район.

Условия образования карстовых пещер.

Пещеры распространены на нашей планете не равномерно, на одном массиве их количество может исчисляться десятками, на другом их может не быть вовсе. Это связано с тем, что для существования и образования пещер необходимо выполнение множества условий.

Самые главные из которых:

1. Как уже упоминалось, наличие карстующихся пород, то есть пород подверженных химическому (выщелачивание) и механическому (эрозия) разрушению под действием воды. К таким породам относятся: сульфатные — Гипс –Ca2SO4, Мел (сульфатный карст в Приморье не известен); и карбонатные — Доломит –Mg2CO3, Известняк –Ca2СO3. Последний имеет наибольшее распространение среди прочих. Есть еще различные подвиды карстующихся пород, например конгломераты (окатанная галька или валуны, сцементированные известняком), мрамор (известняк подвергшийся метаморфизации – длительному или кратковременному воздействию высокой температуры и давлению).

2. Наличие разломов и трещин в зоне распространения карстующихся пород, как результата подвижек земной коры.

3. Наличие большого количества осадков и условий для их удержания в определенном месте.

Выполнение всех трех условий для образования пещер обязательно!

Кроме этого на процесс карстообразования в разной степени влияют:

1. Химическая чистота пород – хуже карстуются породы с высоким содержанием магния и окиси кремния.

2. Трещиноватость пород — наличие микротрещин и каверн, чем их больше тем лучше порода карстуется.

3. Рельеф – наличие замкнутых водосборов, наклон поверхности (на горизонтальной поверхности вода дольше удерживается).

4. Наличие почвенного покрова и растений – вода дольше задерживается, происходит образование агрессивных вод, насыщенных углекислотой и гуминовыми кислотами.

5. Климат – при отрицательных температурах зимой поступление воды существенно снижается или прекращается вовсе.

Помимо пещер в карстующихся породах могут существовать поверхностные и подземные формы карста.

Поверхностные – арки, скалы — останцы, карры, воронки, котловины.

Подземные – собственно пещеры, а так же гроты и тоннели.

Стадии образования карстовых пещер.

Трещинная стадия – водозная (воклюзовая) – натечно-осыпная – обвально-цементационная.

Стадии формирования полости идут последовательно, и каждая новая является следствием предыдущей.

Различные авторы выделяют еще дополнительные промежуточные стадии, но мы будем руководствоваться этой достаточно простой схемой. Важно запомнить, что каждая стадия применима не ко всей пещере в целом, а к отдельным ее фрагментам, каждый из которых может находится на своей стадии развития. Особенно это проявляется в полостях, характеризуемых сложным строением (каскадные шахты, многоярусные пещеры).

Именно с образования разломов и системы трещин (тектонических нарушений) начинается образование каждой пещеры. Нарушения земной поверхности появляются при подвижках земной коры и землетрясениях. Расположение нарушений в пространстве массива (могут быть ориентированы в любой плоскости), а также относительно друг друга (пересекаться или идти параллельно) — все это определяет облик каждой пещеры. Даже в одной пещере встречаются различные «составные» элементы, которые образуются по разному.

В карстовых пещерах могут формироваться следующие различные элементы:

Вертикальные пропасти, щахты и колодцы образуются на пересечении вертикальных или крутонаклонных тектонических трещин – в самом мехинически слабом месте массива. Туда поглощается вода атмосферных осадков. И медленно растворяет известняк; за миллионы лет вода расширяет трещины, превращая их в колодцы. Это зона вертикальной циркуляции подземных вод.

Горизонтально-наклонные пещеры, и меандры

Вода, проникнув сквозь пласт (слой) карстующейся породы доходит до трещины напластования и начинает распространяться по ней вдоль плоскости «падения» пластов. Происходит процесс выщалачивания, образуется субгоризонтальный ход. Потом вода дойдет до очередного пересечения тектонических трещин и снова будет образовываться вертикальный колодец или уступ. Наконец, вода дойдет до границы карстующейся и некарстующейся пород и далее распространяться только вдоль этой границы. Обычно здесь уже течет подземная река, там есть сифоны. Это зона горизонтальной циркуляции подземных вод.

Залы встречаются в зонах разломов – больших механических нарушениях массива, как результата чередующихся процессов горообразования, выщелачивания, снова горообразования (землетрясения, обвалы).

Бывает, включаются дополнительны механизмы:

— механический вынос обломков породы потоками воды (п. Серафимовская),

— действие напорных термальных вод – гидротермальные полости (п. Холодильник).

Горизонтальные лабиринты.

Процесс выщелачивания происходит по «сетке» тектонических трещин. Характерный пример п. Спасская.

Названные механизмы образования элементов структуры (морфологии) пещер являются общими для всех видов карстующихся пород.

Водозная (воклюзовая) стадия

На данной стадии в пещере появляется свободно текущая или стоячая вода. Вода проникает в трещины либо при наличие поверхностного водосбора, либо в случае если нарушение вскрывает подземный водоносный горизонт. Под воздействием воды трещины начинают расширяться, формируя пещеру.

Выделяют следующие виды процессов образования пещеры:

Корозионный — данный процесс происходит при воздействии на стены трещины стоячих или медленно текущих вод, которые выщелачивают известняк. Чаще всего так формируются лабиринтовые пещеры находящиеся ниже уреза поверхностных водотоков. В последующем происходит врез долины, уровень воды в водоеме понижается и пещера осушается (п. Спасская, Мокрушинская, Николаевская).

Корозионно-разрывной – при этом типе первоначально сформированная трещина имеет достаточно большую ширину (несколько метров) в последующем происходит лишь доработка ее водой (п. Распорная).

Корозионно-нивальный – в зимнее время трещина забивается снегом, в результате его таяния высвобождается огромное количество воды, которое и выщелачивает породу.

Корозионно-эрозионный – формирование пещеры происходит за счет поступления в трещину свободно текущих вод, вода переносит частички абразивного материала, который как бы истирает стены трещины кроме этого кородирующее действие оказывает и сама вода. Так формируется большинство пещер. Как правило это поноры (п. Романтиков), пещеры-источники (п. Сица, п. Географического Общества), шахты (Соляник).

Весьма часто пещеры формируются из частей сформированных разными процессами. Например: п. Белый Дворец состоит из фрагментов сформированных корозионно-эрозионным и корозионно-разрывным способом.

Уже в водозную стадию в пещере начинают формироваться отложения различного материала

Остаточные отложения формируются за счет не растворимого остатка вмещающих пород и представленны в основном красными глинами.

Водно-механические отложения формируются за счет влияния водотоков, они могут быть сформированы, как из сортированного материала пещеры — глина, песок (донная часть пещеры Серафимовская), так и из материала занесенного с поверхности — глина, почва, растительные и животные остатки (привходовая часть пещеры Серафимовская).

Зачастую за счет уничтожения склоновой денудацией поверхностных водосборов или вреза речной долины, поступление воды в прежних объемах замедляется или прекращается вовсе, в пещере осушаются целые залы, галереи, колодцы. Начинается натечно-осыпная стадия. На данной стадии в пещерах начинают формироваться разнообразные натечные формы.

Наибольшее развитие в пещерах региона имеют кораллиты. Они имеются в пещерах Приморский Великан, Соляник, Серафимовская. Кораллиты развиваются приемущественно на вертикальных и крутонаклонных поверхностях коренных стен и натечных образований. Имеют сферическую или грибообразную форму. Диаметр сфер варьирует от 5 до 60 мм.

Сталактиты самой различной формы, зависящей во многом от макроклимата полости, количества поступающей воды, распространены во многих пещерах Приморский Великан, Мокрушинская, Соляник. Размеры сталактитов различны от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Под сталактитами сравнительно часто можно наблюдать Сталагмиты. Форма их, как правило, коническая или цилиндрическая. Распространены в пещерах Приморский Великан, Дальняя, Мокрушинская.

Сталагнаты встречаются достаточно редко и как правило имеют не большие размеры. Известны в пещерах Мокрушинская, Дальняя, Приморский Великан, Чертов колодец, Соляник.

Натечные коры встречаются во многих пещерах. Образуются они на стенах и полу пещер, часто создавая живописные каскады (Соляник, Серафимовская).

Относительно широко распространено в пещерах известковое тесто (лунное молоко, мондмильх). В некоторых пещерах оно покрывает не только свод и стены, но и пол пещеры. Толщина его обычно не превышает 10 см. Распространено в пещерах Кабарга, Приморский великан, Белый Дворец, Соляник.

Брчки встречаются достаточно редко, но в некоторых пещерах значительно распространены (Синегорская, Романтиков). Диаметр их не превышает от 5 до 15 мм, длина не более 20 см. Встречаются прозрачные матовые и белые разновидности.

Геликтиты достаточно своеобразные и вместе с тем достаточно редкие натечные формы. Распространены в пещерах Грязная, Приморский Великан, Соляник.

Гуры известны в пещерах Сказка, Дальняя, Близнец, Маленькая. Представляют собой кальцитовые плотинки высотой до 20 см. Часто гуровые ванночки заполнены водой

Обвально-цементационная стадия

Данная стадия является завершающей в процессе существования пещеры. На данном этапе в пещере часто происходят разрушения сводов и стен, с образованием различных обвальных отложений.

Обвально-гравитационные отложения, формируются в различных по своей морфоструктуре частях пещеры. Основные причины – слоистость и трещиноватость пород. А так же стремление гравитации сформировать свод параболической формы, как наиболее устойчивый. Существуют в большинстве полостей нашего края.

Термогравитационные отложения образуются в привходовых частях пещер в зоне сезонных колебаний температур. Теплый влажный воздух, выходящий из пещер в зимний период заполняет поры и трещины в породе, накопленная вода замерзает и расширяясь разрушает породу. Часто перед входом в пещеру можно наблюдать т. н. вал из обрушенной породы (п. Нижняя – вал высотой до 4 метров).

Сейсмогравитационные отложения в малой степени зависят от возраста пещеры и в большей степени определяются особенностями строения пещеры (крупные залы). Формируются во время землятресений.

Провально-гравитационные отложения возникают при провале сводов полостей, при этом происходит разрушение объема первоначальной полости, а на поверхности формируются провальные воронки и котловины. Причинами обрушения могут являться: небольшая мощность кровли, горизонтальная слоистость.

Заключительным результатом этой стадии является разрушение полости.

При создании лекции были исспользованы следующие материалы:

Берсеньев Дальнего Востока.

Берсеньев природы карстового происхождения.