Натечные техногенные минералообразования (сталактиты и коры) // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П. Н. Чирвинского: сб. науч. ст. – Пермь, 2005. – Вып. 8. – С. 237-250. — Лаборатория геологии техногенных процессов

В середине 50-х гг. ХХ в. в сферу научных интересов П. Н. Чирвинского входило и изучение классических пещерных сталактитов* [7, 8] (рис. 1). Десятком лет позже генетическую классификацию натечных пещерных образований [4] разработал выдающийся российский карстовед Г. А. Максимович [2]. Возможно, что сталактиты учебной коллекции кафедры динамической геологии и гидрогеологии ПГУ (рис. 2) добыты не без участия Г. А. Максимовича.

Как отмечал в свое время Н. Г. Максимович [6], карбонатные сталактиты и сталагмиты образуются не только в пещерах. Сталактиты известны и в искусственных сооружениях из бетона или сцементированных строительных материалов. Это потерны плотин, мосты, стены сооружений. В 1888 г. Н. Карножицкий описал сталактиты на cводе Рюриковской крепости в Старой Ладоге. А. Е. Ферсман сообщал, что в дворцовых подвалах Петродворца за 10 лет выросли белоснежные сталактиты длиной до 1 м. Под Кировским мостом в Ленинграде ежегодно вырастали нежные сосульки известковых натеков [9]. Сталактиты обнаружены в подвале Парижского вокзала, а сталактитоподобные образования — в Вене на крыше парламента, на памятнике Моцарту и на других объектах (табл. 1) [6] (c нашими современными дополнениями). Таким образом, можно говорить о техногенных сталактитах.

Рис. 1. Классические пещерные кальцитовые сталактиты [9].
Рис. 2. Пещерные сталактиты из коллекции кафедры динамической геологии и гидрогеологии ПГУ:
а — трубчатые сталактиты, б — массивный сталактит, обрастающий агрегатом скаленоэдрических кристаллов кальцита.

Рис. 3. Натечные коры на стыках облицовки серпенинитовой плиткой главных ворот Центрального ботанического сада в Екатеринбурге: а — общий вид декора ворот, б — фрагмент облицовки с белыми кальцитовыми корами.

Таблица 1 Натечные техногенные образования в различных сооружениях, рудниках и шахтах

Одно из детальных описаний техногенных натечных образований на примере сталактитов, сталагмитов и натечных кор в подвале Московского государственного университета выполнено в 1976 г. Н. Г. Максимовичем [6]. В дополнение приведем краткие данные о сталактитах в двух подвалах Чешской Липы (ЧССР), вырытых в верхнемеловых песчаниках. В первом подвале, находящемся под домом на глубине 7 м, в 1967 г. на потолке обнаружено около 200 сталактитов, многие из которых имели длину 30 см. В другом подвале найден сталактит, длина которого в 1945 г. была 70 см, а в 1966 г. достигла 150 см. Скорость его роста около 40 мм в год. Сталактиты в виде брчек и брчек с утолщениями гулек состоят главным образом из лимонита и частично кальцита. Диаметр брчек 3-5 мм, а толщина стенок 0.5 мм. Со сталактитов капает вода — от 3 до 12 капель в минуту. На полу под сталактитами образовалась тонкая корка натечного лимонита [12]. Отсутствие сталагмитов в указанных подвалах подтверждает уникальность находки их в подвале МГУ.

Нами [7] обнаружены и описаны сталактиты, образовавшиеся при просачивании воды на сводчатой кровле Крестовоздвиженского храма. Известны сталактиты с полым центральным каналом и с заполненным. В образцах сталактитов Крестовоздвиженского собора центральные каналы хоть и сквозные, но в различной степени заросшие минеральным веществом, причем отчетливо наблюдается тенденция уменьшения сечения канала книзу сталактита. В некоторых местах средней части сталактитов канал бывает почти полностью заросшим, но ниже места зарастания канал снова становится зияющим. На стенках каналов образуются белоснежные ажурные агрегаты скелетных кристаллов кальцита. Нередко центром кристаллизации внутри канала в сталактите являются ворсинки, ниточки, которые, обрастая кальцитом, превращаются в причудливые минеральные гирлянды. Сталактиты Крестовоздвиженского соборного храма являются классическими трубчатыми мономинеральными кальцитовыми сталактитами, которые, несмотря на, видимо, слабую минерализацию просачивающихся вод, росли довольно быстро со скоростью 1.6-2.0 мм/год, хотя такая скорость роста на порядок ниже скорости образования сталактитов в подвале МГУ.

Как отмечает А. А. Каздым с соавторами [3], интерес вызывает решение вопроса генезиса натечных форм карбоната кальция (сталактитов и сталагмитов), которые образуются при выщелачивании, растворении различных искусственных или природных строительных материалов — цемента, бетона, известняка. Были изучены кальцитовые сталактиты, сформировавшиеся на бетонных плитах покрытия моста через р. Нерль, в 30 км к северо-востоку от г. Переславль-Залесский в Ярославской области. Натечные образования представлены несколькими формами в основном каплевидного и сталактитовидного облика (рис. 5). Цвет сталактитов белый, светло-серый, в ряде случаев — желтый, светло-коричневый. Цвет зависит от насыщения растворов гидроксидами железа, образующимися при коррозии арматуры бетонных перекрытий моста под действием просачивающихся вод атмосферных осадков. Сталактиты представлены трубчатыми образованиями размером до 12-15 см и средним диаметром около 0.5-0.7 см. В месте крепления диаметр увеличивается до 2-3 см. Внутренний канал сталактитовых трубок не имеет идеально гладкой поверхности — отмечены великолепно выраженные дендритовидные микрокристаллы размером до 1-2 мм, подобные отмечаемым нами ранее в сталактитах Крестовоздвиженского храма [7]. В отдельных образцах внутренняя полость полностью заполнена микрокристаллами. Кроме того, для отдельных образцов отмечены нитевидные и волокнистые («волосовидные») образования. Если мы предполагали, что центром кристаллизации внутри канала в сталактите являлись ворсинки, ниточки, обрастание которых кальцитом приводило к образованию причудливых кальцитовых гирлянд, то А.А. Каздым допускает обрастание кальцитом гифа гриба или водоросли (рис. 6). При изучении техногенных сталактитов сфеновой и ловчорритовой обогатительных фабрик на Кольском полуострове Ю. Л. Войтеховским с соавторами [1] на внутренних поверхностях сталактитов обнаружены тончайшие нитевидные образования, диагностировать которые пока не удалось.

В изломе сталактитов с моста на р. Нерль хорошо заметно концентрически-слоистое сложение. Отмечено до 5 слоев, разделенных между собой полостями, или (в ряде случаев) до 10 слоев, достаточно плотно прилегающих друг к другу. Вероятно, посчитав концентры, можно приблизительно вычислить возраст сталактитов, учитывая тот факт, что в зимнее время их образование маловероятно, — в большинстве случаев можно отметить от 4 до 5 слойков кальцита, т. е. возраст сталактитов составляет около 5 лет. Рентгенофазовым анализом установлено, что сталактиты сложены кальцитом.

Такой же состав имеют и сталактиты с потолка заброшенных сфеновой и ловчорритовой обогатительных фабрик [1]. Химическим анализом в кальцитовых сталактитах установлены (вес. %): CaO — 54.98, CO₂ — 42.70, SrO — 0.78, Na₂O — 0.14, Feобщ — 0.10, MgO — 0.06, K₂O — 0.045, п.п.п. — 0.70, H₂O- — 0.14, SiO₂ < 0.10, Al₂O₃ < 0.10, TiO₂ < 0.05 (аналитик Л.И. Константинова, ГИ КНЦ РАН). Все химические элементы заимствованы из бетонных стен и перекрытий. Длина сталактитов достигает 10 см при диаметре у основания до 1 см (рис.7). Цвет - светло-серый, иногда бурый за счет неравномерного поверхностного ожелезнения. Форма - типичная, сталактиты полые практически на всю длину. Стенки толщиной 1-4 мм имеют скорлуповатое строение, плотные слои чередуются с рыхлыми. Наблюдения авторов подтверждают мнение известного спелеолога В.А. Мальцева о внешнем питании трубчатых кальцитовых сталактитов. Любопытно, что внутри них в то же время происходит иной процесс. Их внутренняя поверхность прихотливо изрезана, что вызвано периодическим растворением атмосферной влагой или друзовым ростом, или тем и другим вместе. В ядерных частях друз наблюдается перекристаллизация с укрупнением зерна. При формировании природных кальцитовых сталактитов источниками вещества обычно являются известняки. В случае образования техногенных сталактитов таковыми являются строительные материалы стен и перекрытий - цемент, бетон, известь.

Рис. 4. Кальцитовые покровы (коры) на теле плотины на р. Б. Сатка (Челябинская область):
а — общий вид, б — фрагмент сплошной коры на боковой стене плотины.

Рис. 5. Общий вид сталактитов на нижней поверхности бетонных конструкций моста через р. Нерль: а — белые сталактиты, б — желтый ожелезненный сталактит с каплей воды; в — морфология и размер белых сталактитов.

Ю.Л. Войтеховский считает, что оценка скорости роста кристаллов кальцита в техногенных сталактитах (как впрочем и в природных натечных образованиях, да и вообще в генетической минералогии — СП) — нетривиальная задача. Он пишет: «Очевидно, следует различать скорости их радиального роста в плотных слоях и свободного друзового — во внутреннем пространстве. Общая длина сталактитов не имеет отношения к интересующим нас скоростям роста, так как в большей мере характеризует интенсивность подачи карбоната Ca в систему просачивающимися растворами. Принимая максимальную толщину стенки сталактита 4 мм и время его образования 40 лет (исходя из истории ловчорритовой и сфеновой обогатительных фабрик), получаем приблизительную скорость роста кристаллов кальцита 0.1 мм/год».

В.А. Наумовым в 2003 г. во время экскурсии обнаружены и отобраны сталактиты, коры и наросты (рис. 8), образовавшиеся близ трещин в секциях Д-9 и В-4 дренажной потерны** со стороны верхнего бьефа Камской ГЭС. Сталактиты трубчатые с несколько смещенным от центра каналом диаметром 1-2 мм, удлиненные длиной 7-10 см при средней ширине (диаметре) 0.5-0.7 мм. Сталактиты светловато-серого и желтовато-белого цвета, коры и наросты — белые на свежем сколе и сероватые (запыленные) с поверхности. И сталактиты, и коры, и наросты Камской ГЭС мономинеральны и состоят из кальцита, как и большинство природных натечных образований в пещерах (табл. 2).

Таблица 2 Рентгенограммы вещества сталактитов и эталонного кальцита

Примечание: * — сталактит из дренажной потерны Камской ГЭС. Дифрактометр ДРОН-2.0, CuK -излучение. Оператор Т. М. Рябухина. ** — сталактит с моста через р. Нерль. Дифрактометр ДРОН-3.0, CuK -излучение, монохроматор, шаг 1 /мин., 35 кV, 25 mA.

В предыдущем изложении речь шла о мономинеральных кальцитовых натечных образованиях. Г. А. Максимович называл процесс из образования карбонатным спелеолитогенезом [4]. Вместе с тем, сталактиты, как и другие натечные образования пещер, могут быть сложены другими минеральными видами, например, гипсом, галитом и другими минералами. В одной из пещер (полости) на Бакальском железорудном месторождении в Восточно-Буландихинском карьере были обнаружены сидеритовые сталактиты (устное сообщение И. А. Лаврова).

В техногенных условиях также, как и в природных, реализуются условия и для формирования разнообразных по минеральному составу натечных образований. Г. А. Максимович и Г.В. Бельтюков [5] описали соляные натечные образования горных выработок. Во время экспедиционных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в 1990 г. нами в одной из горных выработок рудника были обнаружены метровые соляные сталактиты, которые сейчас экспонируются в зале минеральных месторождений Ильменского государственного заповедника (ИГЗ) вместе с другими соляными и натечными образованиями (рис. 9). В 1996 г. на 2-й Восточной панели Березниковского калийного рудника № 1 того же месторождения С. Н. Шанина наблюдала многочисленные соляные сталактиты (рис. 10). Часть образцов ею была отобрана, и в настоящее время они экспонируются в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН в г. Сыктывкар (рис. 11).

Особой редкостью являются гидратированные сульфатно-железистые сталактиты. В феврале 2004 г. А. Белоусова — выпускница геологического факультета Миасского филиала ЮУрГУ, передала в музей ИГЗ мономинеральный голубовато-зеленый длиной 70 см и диаметром 8-9 см мелантеритовый сталактит из Гайского медно-колчеданного рудника на Южном Урале (рис. 12). К сожалению, эта красота невечна, — даже при бережном хранении мелантерит дегидратируется и замещается сначала четырехводным сульфатом железа — роценитом, а затем — одноводным — ссомольнокитом. И на сталактите появляются рыжие потеки и белесые новообразования. Следует обратить внимание на то, что соляные (галитовые) и мелантеритовые сталактиты не имеют центрального канала. По-видимому, механизм их роста принципиально другой, нежели карбонатных (в общем случае — кальцитовых) сталактитов.

Допустимо, что в техногенных условиях, например, на горелых угольных отвалах, при подземных пожарах на угольных шахтах могут образовываться совсем редкие натечные образования, сложенные, например, аммониевыми минералами — нашатырем и/или масканьитом.

Рис. 6. Шлиф кальцитового сталактита с моста через р. Нерль. «Волосовидный» агрегат, вероятно обрастание кальцитом гифа гриба или водоросли, прозрачный шлиф (николи Х, размер изображения 1×1 мм).

Рис. 7. Техногенные кальцитовые сталактиты с потолка заброшенных сфеновой и ловчорритовой обогатительной фабрик на Кольском полуострове.

Рис. 8. Натечные техногенные образования в потерне Камской ГЭС:
а — сталактиты и их фрагменты, б — обломки натечных кор, в — нарост — зарождающийся сталактит.

Перечисленными и описанными примерами техногенных сталактитов не исчерпываются все условия и объекты, где они могут образовываться. Так, А. А. Каздым наблюдал кальцитовые новообразования в виде каплевидных натеков и сталактитов в подвалах старых зданий (постройки XVIII-XIX вв.), а также после строительства дорожных покрытий (при строительстве МКАД были отмечены карбонатные новообразованные структуры типа cone-in-cone). К сожалению, по ряду причин не было возможности отбора образцов для их изучения. Известны новообразования сталактитов в подвалах Эрмитажа и старого здания Московского университета (на Моховой улице). Кальцитовые натечные новообразования в виде покровных натеков и небольших сталактитов (до нескольких сантиметров) также отмечались в старых каменоломнях по добыче известняка под Москвой («Сьяновские каменоломни» и близ ст. Силикатная), а также в Тульской области около поселка Метростроевский в 30 км от г. Венев («Бякинские каменоломни»).

Рис. 9. Крупные метровые соляные (галитовые) сталактиты одного из рудников Верхнекамского месторождения калийных солей в витринах музея Ильменского заповедника.

Рис. 10. Галитовые сталактиты в горных выработках Березниковского калийного рудника.

Рис. 11. Галитовые натечные образования.

Рис. 12. Сталактит из семиводного сульфата железа — мелантерита.

Исследование различных техногенных новообразований представляет определенный интерес не только с точки зрения их экзотичности, но и в связи с возможностью определения скорости природных процессов минералообразования, а в ряде случаев и их физико-химических параметров и решения ряда генетических проблем. Сравнение техногенных минералов и минеральных новообразований с подобными природными формами может помочь в реконструкции и моделировании определенных природных процессов.

Авторы благодарны Ю. Л. Войтеховскому (Институт геологии Кольского НЦ РАН, г. Апатиты) и С.Н. Шаниной (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) за любезное предоставлене фотографий и образцов кальцитовых и соляных сталактитов, А. В. Денисову (Естественнонаучный институт, г. Пермь) за информационное обеспечение, В. С. Любимовой (Естественнонаучный музей Ильменского государственного заповедника, г. Миасс) за возможность работать с образцами из музея и помощь в проведении фотосъемки их на цифровую камеру Nikon Coolpix 5400, а также Т. М. Рябухиной (Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс) за съемку рентгенограмм сталактитов.
____________

* Сталактит (от греч. stalaktos — натечный по капле) — натечно-капельные (чаще известковые) образования, свешивающиеся в виде сосулек, трубок, гребёнок, бахромы и т. д. с потолков и верхних частей стен карстовых пещер. Возникают в результате выпадения в осадок углекислого кальция при удалении из насыщенной им воды углекислого газа. Иногда встречаются гипсовые и соляные сталактиты, образующиеся при участии испарения. (БСЭ, 3-е изд., т. 24, кн. 1. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1976. 398 с.).

** Потерна — (франц. poterne, от лат. posterula — задняя дверь, боковой ход) — галлерея (коридор) под землей или внутри массивного сооружения. Потерну прокладывают в виде подземного хода с каменным, бетонным или железобетонным усилением для сообщения между различными частями крепостных фортов или опорных пунктов укрепленных районов. В теле массивных плотин, преимущественно бетонных, потерны представляют собой продольные галлереи для отвода воды, собираемой дренажем основания и тела плотины, для наблюдения за состоянием внутренних частей плотины и за фильтрацией воды, для служебного сообщения между берегами и для других целей. В высоких плотинах устраиваются обычно две потерны, из которых одна располагается возможно ближе к основанию. (БСЭ, 2-е изд., т. 34, 1955. С. 280).

Библиографический список

1. Войтеховский Ю. Л., Красоткин И. С., Лесков А. Л. Техногенные сталактиты ловчорритовой и сфеновой обогатительных фабрик горно-химического треста «Апатит» // Минералогия во всем пространстве сего слова. Ч. I. Труды I Ферсмановской научной сессии Кольского отделения Российского минералогического общества, посвященной 120-летию со дня рождения А. Е. Ферсмана и А.Н. Лабунцова / Под ред. Ю. Л. Войтеховского. Апатиты: Изд-во «К & М», 2004. С. 95-98.

2. Георгий Алексеевич Максимович: [Научное издание] / Авт.-сост. Е. Г. Максимович, Н. Г. Максимович, В. Н. Катаев. Пермь: Изд-во «Курсив», 2004. 512 с.

3. Каздым А. А., Чижова А. А., Астахов М. И. Техногенные карбонатные новообразования на бетонных покрытиях моста через р. Нерль (Ярославская область) // Минералогия техногенеза — 2005 / Под ред. С. С. Потапова. Миасс: ИМин УрО РАН, 2005. (В печати).

4. Максимович Г. А. Генетический ряд натечных образований пещер (карбонатный спелеолитогенез) // Пещеры. Вып. 5 (6). Пермь: ПГУ, 1965.

5. Максимович Г. А., Бельтюков Г. В. Соляные натечные образования горных выработок // Пещеры. Вып. 6 (7). Пермь: ПГУ, 1966.

6. Максимович Н. Г. Карбонатные сталактиты и сталагмиты в подвале Московского университета // Пещеры. Вып. 16. Пермь: ПГУ, 1976. С. 24-35.

7. Потапов С. С., Паршина Н. В., Максимович Н. Г. Минеральные образования на кровле и стенах Крестовоздвиженского храма Белогорского Свято-Николаевского монастыря (Пермская область) // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П. Н. Чирвинского. Пермь: ПГУ, 2002. Вып. 4. С. 69-78.

8. Потапов С. С., Мороз Т. Н. Минералогия и спектроскопия ряда техногенных кальцитов // Минералогия техногенеза — 2003 / Под ред. С. С. Потапова. Миасс: ИМин УрО РАН, 2003. С. 39-46.

9. Ферсман А. Е. Занимательная минералогия. Челябинск: Изд-во «Урал-LTD», 2000. 316 с.

10. Чирвинский Н. П. К истории изучения карбонатных сталактито-сталагмитовых образований пещер // Уч. зап. Пермск. ун-та. Т. 9. Вып. 1. Пермь: ПГУ, 1955.

11. Чирвинский Н. П. К петрографической характеристике сталактитов из некоторых пещер в центральной части Кизеловского каменноугольного бассейна // Уч. зап. Пермск. ун-та. Т. 10. Вып. 2. Пермь: ПГУ, 1956.

12. Schwarz R., Lochmann Z. Sekundarni pseudokrasovetravyve chnokridovem piskovci v Ceske Lipe // Ceskoslovensky Kras, 1969. R. 21.