Benard Cells – a possible mechanism of the formation of subaquatic and subfluidic stalactites

详细

The mechanism of formation of stalactites in gravity field of the Earth during their formation in air and subaquatic and subfluidic (magmatic) systems is considered. If the systems represent the cavities in solid bodies with ambient capillary-porous space filled with liquids, then it locally yields the convective subsystems: the Benard cells fixed by the formation of stalactites. The phenomenon is illustrated on examples of malachite, goethite, chalcedony, quartz-feldspar and magnetite stalactites.

全文:

В процессе минералогических наблюдений исследователь нередко сталкивается с морфологическими признаками гравитационных явлений. Весьма наглядным из них является образование сталактитов в пещерах (полостях). В литературе можно найти данные о разном происхождении пещер: тектоническом, эрозионном, ледниковом, вулканическом и карстовом (самая большая группа). Карстом называют явления и процессы, обусловленные деятельностью вод (или других жидкостей?), проявляющиеся в растворении горных пород и появлении в них полостей. Полости могут быть заполнены газами (воздухом), водой (водным раствором), другими жидкостями (нефтями, расплавами-растворами, коллоидными растворами) и минеральными агрегатами различного происхождения.

Образование минеральных агрегатов в виде сталактитов (и сталагмитов) в воздушных пещерах легко наблюдаемо и механизмы их формирования многократно рассмотрены спелеологами и минералогами. Сталактитами называют хемогенные отложения в (карстовых) полостях в виде образований, свешивающихся с потолка (сосульки, соломинки, гребенки, бахромы и т.п.) (Максимович, 1963).

Субаквальные сталактиты формируются ниже уровня воды или на контакте водной поверхности с воздухом. Вид субаквальных сталактитов внешне похож на «воздушные» (субтерральные) сталактиты и в их положении читается влияние гравитации (рис. 1).

Рис. 1. Субаквальные сталактиты в подводной пещере. Фото из открытых Интернет-источников.

Fig. 1. Subaquatic stalactites in an underwater cave. Photos from open Internet sources.

Предположительно субаквальные сталактиты гётита, халцедона и малахита наблюдались нами в обширной коллекции Н.И. Козина из Меднорудянского медного месторождения (Попов и др., 2015). Карстовые образования на нем находились под речкой Рудянкой, распространяясь до глубины 208 м. Отсюда можно считать, что полости были заполнены карстовыми водами (до времени проходки глубоких шахт). По независящим от нас причинам, проиллюстрировать субаквальные меднорудянские сталактиты мы можем только на примере гётита (рис. 2). Сталактиты халцедона и малахита (рис. 3) демонстрируются, как аналогичные меднорудянским, из Интернет-источников.

Рис. 2. Сталактиты гётита (слева) и сросток гётитовых сталактитов в сколе (справа). Меднорудянское месторождение. Фото М. Б. Лейбова.

Fig. 2. Goethite stalactites (left) and cross-section of an intergrowth of goethite stalactites (right). Mednorudyanskoe deposit. Photo by M. B. Leibov.

Рис. 3. Малахитовые (слева) и халцедоновые (справа), предположительно, субаквальные сталактиты, для кристаллизации которых необходимо искать причину конвективного движения в «питающем» растворе. Фото из открытых Интернет-источников. Размер сталактитов не указан.

Fig. 3. Malachite (left) and chalcedony (right) probably subaquatic stalactites, the reasomn of crystallization of which is probably related to the convective motion in the «feeding» solution. Photos from open Internet sources. The size of the stalactites is unknown.

Если для обычных («воздушных») сталактитов пересыщение возникает не только за счет выхода раствора из капилляров в полость (падения давления), но и за счет испарения растворителя из стекающей вниз капли, то для субаквальных сталактитов остается только пересыщение, связанное с падением давления при выходе насыщенного раствора из капилляра в полость. Насыщенный раствор в капиллярах (тонких трещинах) является более плотным (тяжелым) по сравнению с насыщенным раствором в заполненной полости. Выходя из капилляра вниз в полость, он сразу становится пересыщенным вследствие падения давления и определяет начало кристаллизации, а также порождает конвективное движение. Если на верхней поверхности полости есть некоторое количество таких капилляров, то возникают системы конвективных ячеек, длительная работа которых определяет сталактитовую текстуру минерального агрегата. По механизму возникновения конвективных ячеек в гравитационном поле Земли их можно отнести к «ячейкам Бенара». Именно после опытов Бенара любые ячейки конвекции часто именуют ячейками Бенара (Эйдельман, 2000).

В природных объектах системы полостей с капиллярным окружением встречаются не только с водными растворами, которых много в верхней части земной коры. Жидкости в виде разных нефтей, разнообразных магм (расплавов-растворов) также встречаются в капиллярно-пористых твердых телах с полостями. Следовало ожидать образование сталактитов не только в связи с водными системами. Так, давно фиксировались «странные» кварц-полевошпатовые сталактиты в полостях крупных жил гранитных пегматитов (Павлишин и др., 1988 – рис. 73). Недавно М.В. Цыганко обнаружил магнетитовые сталактиты в карбонатит-пегматитах Песчанского месторождения железных руд на Северном Урале. Этот объект требует более подробного повествования.

В 2019 г. на шахте «Северопесчанская» подготовительными выработками Ново-Южной залежи на отметке -295 м в орте 9 в породах лежачего бока рядом с нижней границей рудного (магнетитового) тела были вскрыты интереснейшие формы минерализации. На значительном протяжении выработки (около 7–8 м) массив горной породы представлял собой множество вертикально расположенных параллельных «стержней» магнетита, пространство между которыми было заполнено крупнокристаллическим белым кальцитом (рис. 4, 5). Диаметр «стержней» магнетита был, в основном, выдержанным и составлял, в среднем, 1.0–1.5 см. Их максимальную длину установить не удалось, так как в местах, зачищенных от пыли, и в местах, где были сколоты выступающие части массива, длина видимой части «стержней» составляла 0.5 м и более, а «стержни» верхними концами прикреплялись к массиву магнетитовой мелкозернистой руды с большим количеством пор и миароловых полостей с кальцитом.

Рис. 4. Магнетитовые сталактиты в кальцитовом агрегате в горной выработке: слева – вертикальная стенка, справа – потолок с креплением. Фото М. В. Цыганко.

Fig. 4. Magnetite stalactites in calcite aggregate in the mine: left – a vertical wall, right – ceiling with support. Photo by M. V. Tsyganko.

Рис. 5. Детали строения магнетитовых сталактитов: слева – редкие вростки пирита (Py), халькопирита (Chp) и хлорита (Chl) в агрегате расщепленного магнетита сталактитов; справа – нижние части сталактитов в виде сростков расщепленных и блочных октаэдров магнетита. Фото М.В. Цыганко и В.А. Попова.

Fig. 5. Details of the structure of magnetite stalactites: left – rare ingrowths of pyrite (Py), chalcopyrite (Chp) and chlorite (Chl) in aggregate of split magnetite stalactites; right – the lower parts of stalactites in form of aggregates of split and blocky octahedra of magnetite. Arrow – flow direction. Photo by M.V. Tsyganko and V.A. Popov.

Размер полости с магнетитовыми стержнями составлял первые метры. Выделения магнетита в виде строго вертикальных «стержней» были расположены в массиве очень плотно: расстояния между ними составляли в среднем несколько миллиметров, редко достигая первых сантиметров. Изредка эти «стержни» срастались между собой. В центральной части описываемого участка массива выделения магнетита были строго параллельны друг другу, что напоминало вид некоторых видов сталактитов в пещерах. В редких случаях под нижними окончаниями «стержней» наблюдались магнетитовые холмики, похожие на пещерные сталагмиты.

Магнетитовые сталактиты сложены кристаллами блочного тонкорасщепленного магнетита октаэдрического габитуса. Вследствие расщепления, издалека кристаллы магнетита кажутся округлыми. Изредка в агрегате магнетита встречаются мелкие, синхронные с магнетитом, вростки пирита, халькопирита, клинохлора, тремолита и геденбергита, что указывает на возможные достаточно высокие температуры кристаллизации карбонатит-пегматита (рис. 5). Поверхность на кристаллах магнетита идиоморфная по отношению к вмещающему крупнозернистому кальциту, что говорит о кристаллизации кальцита после окончания роста сталактитового магнетита. .

Для построения модели формирования текстуры минерального агрегата важны следующие соображения: 1) минералообразование происходило в полости, возникшей в крупном теле мелкозернистого магнетита (см. схему на рис. 6); 2) полость и капиллярно-пористая система вокруг полости были заполнены карбонатитовым расплавом-раствором при температуре выше его температуры плавления; 3) в стационарном состоянии (некоторое время) в такой системе формируются конвективные потоки, связанные с разной плотностью растворов в капиллярах и в полости; 4) если в более плотных слоях потоков возникнет пересыщение по отношению к каким-либо минералам, может возникнуть кристаллическое тело, наследующее вертикальное движение потока в гравитационном поле.

Рис. 6. Схематическая модель формирования магнетитовых сталактитов в полости карбонатито-скарновой системы.

Fig. 6. Schematic model of the formation of magnetite stalactites in the cavity of the carbonatite-skarn system.

Факт нахождения карбонатитового тела внутри тела плотных магнетитовых агрегатов (руд) на Песчанском месторождении не является большой редкостью для колонн тепломассопереноса земной коры. Например, в карьере Меднорудянского месторождения сульфидные и апатитсодержащие карбонатитовые тела находятся среди тел мелкозернистых магнетитовых агрегатов (рис. 7). Но условия для формирования сталактитов в глубинных высокотемпературных условиях, судя по публикациям, создаются редко. И все же они встречаются, что позволяет нам предположить существование субфлюидных сталактитов в дополнение к газовым и субаквальным.

Рис. 7. Карбонатитовые тела (светлое) среди магнетитовых тел (темное) в уступе карьера Меднорудянского месторождения. 2013 год. Фото В.А. Попова.

Fig. 7. Carbonatite bodies (light) among magnetite bodies (dark) in the ledge of the quarry of the Mednorudyansk deposit. 2013. Photo by V.A. Popov.