РЕФЕРАТ. Принятая концепция классификации сталактитов с привязкой к способу подачи питающего раствора, по-видимому, неверна. Центральный канал у карбонатных сталактитов за немногими исключениями не играет питающей роли, и его наличие является не причиной, а следствием. Для конических сталактитов даже частичное питание по центральному каналу исключено полностью. Некарбонатные сталактиты, кроме кристаллизующихся из расплава, по своим структурно-текстурным особенностям не являются сталактитами в строгом понимании термина, а являются туфлактитами, корлактитами, или кристлактитами. Существенная роль центрального канала в питании обнаруживается только у трубчатых туфлактитов.

ABSTRACT. V.A.Maltsev. Once more on stalactites with "internal" and "external" feeding. The conventional stalactites classification via their feeding mechanisms seems to be wrong. The central channel of the carbonate stalactites, with rare exeptions, is proved to have no special role in the stalactite feeding, thus appearing as a consequence, and not as a reason. For conical stalactites even partial feeding through the channel seems to be forbidden. Non-carbonate stalactites (except growing from melts), have their structure and texture, corresponding not to real stalactites, but to tuflactites, corlactites, or crystlactites. Between them, a sufficient feeding role of the central channel appears only for the tubular tuflactites.

Принято считать, что существуют сталактиты со внутренним питанием (трубчатые), и со внешним или смешанным (конические) [Hill & Forti 1986, Максимович 1965, Степанов 1971]. Вместе с тем практически каждый, бывавший хоть раз в карстовой пещере с активным ростом сталактитов, не мог не заметить следующего факта: если имеется обломанный несколько лет назад конический сталактит, имеющий выраженный центральный канал, и на месте слома начался рост нового сталактита, этот новый сталактит обязательно имеет центральный канал, но этот канал никогда не является продолжением канала "старого" сталактита (фото 1). Более того, если имеется пара трубчатый сталактит-драпировка, сломанная так, что нижняя точка скола располагается на драпировке, то есть в точке, где питающее отверстие отсутствует, новый рост начинается именно в этой точке, а растущий сталактит является трубчатым сталактитом, то есть, согласно литературе, сталактитом с якобы центральным питанием. Имеются и другие свидетельства того (рассмотрим их ниже), что вопрос о питании сталактитов по центральному каналу совсем не так очевиден, как оно представляется на первый взгляд.

Сразу оговоримся, что в данной работе мы полностью исследуем только самый распространенный случай - карбонатный. Для остальных минералов физико-химические механизмы кристаллизации существенно отличаются, равно как существенно отличается и структура сталактитов, и мы их рассмотрим только частично.

Для начала рассмотрим наиболее "чистый" случай сталактитов, имеющих центральный канал - трубчатые сталактиты, они же "макароны", они же soda-straw, причем только наиболее распространенного типа - монокристаллические. Ниже будет показано, что второй их тип - зернистые трубчатые сталактиты, а точнее трубчатые туфлактиты, принципиально от них отличны как по структуре и текстуре, так и по физике кристаллизации, и по способу питания.

Для трубчатых сталактитов известно, что их рост происходит при малых расходах питающего раствора [Максимович 1965, Степанов 1971], и при очень малом пересыщении раствора по углекислоте (последнее следует хотя бы из того, что под ними очень редко образуются сталагмиты). Как правило, трубчатые сталактиты растут достаточно массово, отдельно от конических, и при этом достаточно равномерно распространены по потолку. Такое равномерное их распределение, с расположением отдельных сталактитов не вдоль питающих трещин, а на естественных точках скапывания (так же, как и в примере с регенерацией сломанного сталактита), уже просто статистически не позволяет принять гипотезу о центральном их питании. Наличие же у некоторых из них боковых драпировок, объемом зачастую больше самого сталактита, прямо указывает на наличие поверхностного питающего потока. На то же самое указывает и тот факт, что во всех случаях изучения автором субстрата в точке питания сталактита, никакого канала, даже капиллярного, ни разу обнаружить не удалось.

Рассмотрим физику кристаллизации в точке скапывания. Известно, что единственным механизмом создания пересыщения раствора по карбонату в холодных условиях [Соколов 1962] является разложение бикарбоната. Также известно, что скорость разложения бикарбоната (и дегазации раствора) сильно зависят от механических причин. Так, форсированную дегазацию вызывает турбулентность (рост гуров), удары падающих капель (рост сталагмитов) [Степанов 1971]. Так как при частоте скапывания, характерной для трубчатых сталактитов (порядка 1 - 0.001 капля/сек), говорить о существенной турбулентности не приходится, остаются две возможности для кристаллизации:

- исходная пересыщенность питающего раствора. В этом случае под сталактитом обязательно будет образовываться сталагмит, причем обязательно туфовый - при падении исходно пересыщенной капли удар вызовет кристаллизацию в объеме, а не только на поверхности. Такие пары автору неизвестны - если сталагмит и есть, то кристаллический;

- локальная дегазация, происходящая в момент отрыва капли из-за разгрузки механических напряжений, создаваемых поверхностным натяжением.

Очевидно, что имеет место именно последний механизм. Также очевидно, что разгрузка напряжений происходит на периметре мениска, что означает, что кристаллизация будет происходить именно на периметре мениска. В качестве дополнительного свидетельства, что имеет место именно этот механизм, укажем особенности структуры ростовой зоны трубчатого сталактита (фото 2). Непосредственно по мениску происходит скелетный, и даже дендритный рост, что вполне соответствует кристаллизации при бурной дегазации. С отступлением же 0.5-3 мм от кончика сталактита скелетные кристаллы уже полностью перекристаллизовываются в монокристалл трубки, что очевидно указывает на перекристаллизацию в периоды статичного висения капли. Раствор при отсутствии механических возмущений равновесен, активная кристаллизация, могущая "законсервировать" дендриты и скелетные кристаллы, отсутствует, и происходит только перекристаллизация неравновесных форм в равновеснные.

Заметим, что в приведенных рассуждениях нигде не фигурирует механизм питания - если капля висит и изредка скапывает, то рост трубки, соответствующей по своему диаметру мениску висящей капли, обусловлен чисто физическими причинами при любом механизме подачи раствора - и по каналу, и по поверхности. Подача же раствора по поверхности явно предпочтительна по геометрическим соображениям (точки скапывания, не соответствующие подводящим трещинам). Отсутствие при этом кристаллизации на внешней поверхности сталактита объясняется условиями, отмеченными выше - сбалансированностью раствора и ламинарностью потока при малом его расходе.

Теперь о том, откуда происходят массовые наблюдения наличия центрального питания у трубчатых сталактитов [Hill & Forti 1986], а также отсутствия у них внешнего питания. Они абсолютно верны для концевых частей достаточно длинных сталактитов (а изучаются в-основном именно они), и это - точно так же, как и наличие канала, есть не причина, а следствие. Стенка сталактита имеет обычно толщину 0.5 - 1.5 мм, а карбонаты имеют совершенную спайность. Тем самым, любой трубчатый сталактит имеет в достаточном количестве трещины в стенках. Столб воды в канале создает отрицательное давление (пропорциональное длине сталактита, и "прыгающее" в момент отрыва капли), и раствор с поверхности просто засасывается сквозь трещины в канал. Если сталактит имеет достаточную длину (десятки сантиметров), то - полностью. Дополнительным свидетельством этого может являться распространенный случай, когда длинные трубчатые сталактиты с исключительным питанием по каналу в нижней части, имеют поверхностные обрастания в верхней, прямо свидетельствующие о наличии в верхней части поверхностного потока.

Единственные известные автору исключения - когда трубчатый сталактит исходно питается по центральному каналу - связаны с геликтитами, переходящими в сталактиты (фото 3). Это только подтверждает выдвинутую концепцию - что центральное питание для трубчатых сталактитов не запрещено, а просто невыгодно - в случае перехода из геликтита более выгодной точки скапывания, чем его конец, просто нет.

Для конических сталактитов (естественно, мы рассматриваем только разности, имеющие центральный канал), существует два понимания их структуры и генезиса. Согласно первому [Hill & Forti 1986], они являются трубчатыми сталактитами, впоследствии обросшими корой. Согласно второму [Максимович 1965, Степанов 1971, 1996], рост центральной трубки и коры одновременен. Представляется, что верно именно второе понимание - как убедительно показано в [Максимович 1965], рост трубчатых и конических сталактитов возникает при существенно различном расходе питающего раствора, а как показано в [Степанов 1971], кристаллизация в любой пещере выдержана по циклу обводненности, и рост трубчатых сталактитов происходит после, а не до роста конических сталактитов.

Итак, рассмотрим случай с одновременным ростом центральной трубки и внешней коры. При этом для простоты примем как данность гипотезу о том, что раствор, поступающий по центральному каналу, имеет то же самое происхождение, что и раствор, поступающий по внешней поверхности сталактита. Иные варианты, конечно, возможны, но - как единичные, а рост сталактитов - явление, как правило, массовое.

Это вполне обоснованное предположение имеет одно любопытное следствие. У раствора, идущего по каналу, возможность дегазации возникает только по выходе из канала (как из теоретических соображений, так и по факту - иначе канал бы зарастал). У раствора, идущего по внешней поверхности, дегазация происходит постоянно, о чем и свидетельствует непосредственно кристаллизация на внешней поверхности. Тем самым, раствор, поступающий по внешней поверхности, на конце сталактита будет иметь меньше углекислоты, чем раствор, поступивший по центральному каналу. То есть, на конце сталактита будет происходить смешивание двух насыщенных бикарбонатных растворов различной концентрации. Как известно [Palmer 1995], функция растворимости карбоната от концентрации углекислоты везде выпукла. Тем самым смешение любых двух насыщенных бикарбонатных растворов приводит к образованию недосыщенного раствора - хорда, соединяющая точки состояния смешиваемых растворов, и являющаяся местом расположения точек результирующих растворов при различных пропорциях смешивания, целиком лежит ниже функции. Именно этот эффект лежит в основе широко известной "коррозии смешивания", являющейся одним из основных факторов карбонатного карстогенеза. И, так как конический сталактит имеет расход раствора более 1 капли/сек [Максимович 1965], что совершенно не оставляет времени для выравнивания свежеизготовленной смеси по углекислоте с окружающей атмосферой, именно коррозия смешивания, а вовсе не кристаллизация, будет возникать на конце конического сталактита в случае его реально смешанного питания со сколь бы то ни было сопоставимыми объемами питания по двум "ветвям". Тем самым мы получили прямой запрет на поступление по одной из "ветвей" питания количеств раствора, сопоставимых с поступлением по другой "ветви". При этом количество материала, отлагаемого на внешней поверхности сталактита, однозначно указывает, в какую сторону направлен этот дисбаланс - исчезающе малым должно быть именно питание по центральному каналу. Заметим, что если снять допущение из предыдущего абзаца (одно и то же происхождение растворов), вывод не меняется - смешивание на конце сталактита двух различных растворов будет происходить и в этом случае.

В качестве примера рассмотрим агрегат, изображенный на фото 4 - переходную форму между парой трубчатый сталактит-драпировка, и коническим сталактитом (собственно, разница только в ориентированном питании). Хорошо видно искривление монокристаллической трубки, ясно показывающее, что ее питание происходило именно поверхностным путем с драпировки, а также то, что агрегаты сингенетичны. В нижней части трубка выпрямлена. Это выпрямление, равно как и "отпрепарированность" трубки (драпировка не распространяется в поверхностную корку на трубке), имеет своей причиной дырку в стенке трубки (видную в верхнем правом углу, показана стрелкой), засасывающую поверхностный поток со значимой площади.

В некарбонатном случае пересыщение возникает не в результате ударной дегазации от механических возмущений при отрыве капли, а в результате либо испарения раствора при статичном висении капли, либо скачка давления/температуры между условиями питающего канала и полости.

Для первого варианта можно попытаться найти реальные параллели и в карбонатном случае - чем реже происходит скапывание, тем больше влияние "немеханической" дегазации (и испарения). То есть, для случая с очень медленным питанием, карбонатный сталактит должен сближаться по своей морфологии, структуре, и текстуре с некарбонатным. Как известно [Степанов 1996], при медленном питании и наличии испарения, сталактиты переходят в кристлактиты или корлактиты - формы с текстурой, значимо контролируемой капиллярными силами, и являющимися переходными формами от сталактитов к кораллитам и кристалликтитам. Кристлактиты и корлактиты в частности характеризуются отсутствием центрального канала, или его "нестандартной" геометрией - не контролируемой мениском капли.

Исследования автора в известных ему пещерах с гипсовой минерализацией (для всех этих пещер пересыщение по гипсу создается только в результате испарения) показали, что гипсовые сталактиты во всех случаях имеют более сложные структуру и текстуру, чем "обычные" карбонатные сталактиты. В простейших случаях они имеют признаки кристлактитов, в более сложных - переходят в так называемые "люстры". Питающий канал у них отсутствует примерно в половине случаев, а где и присутствует - не имеет регулярной геометрии. Гипсовый "сталактит" как правило, не вертикален, может ветвиться. На фото 5 6 7 изображены гипсовый "сталактит", "трубчатый" соляной сталактит и кальцитовый кристлактит, и аналогии в их строении отчетливо видны. В точках же с более интенсивной капелью развитые гипсовые сталактиты просто не образуются.

Для второго варианта аналоги в карбонатном случае также имеются. Это - родничковые валы, "щиты", "бубны", порождаемые резкой дегазацией растворов, сильно пересыщенных по углекислоте, непосредственно в точках их выхода из питающих трещин и каналов. Структура их зерниста, монокристаллическая трубка не образуется, геометрия канала также нерегулярна и контролируется локальными особенностями дегазации, гравитационный контроль ослаблен - агрегаты могут существенно отклоняться от вертикали. Из более приближенных по внешней морфологии к сталактитам форм можно отметить травертиновые "трубчатые сталактиты", характерные для штолен на рудных месторождениях, где условия в питающих трещинах и в пространстве роста (объем штольни) резко разбалансированы. Они также характеризуются не выдержанным каналом, ослабленным гравитационным контролем, и отсутствием монокристаллической трубки. Все известные автору некарбонатные сталактитовидные агрегаты с кристаллизацией, управляемой скачком PT-условий (например, описанные в [Плавшудин 1973]), имеют эти же отличительные черты, тем самым являясь по классификации Степанова туфлактитами, а не сталактитами.

Рассмотрим отдельно случай кристаллизации из расплава (лед, сера). Как ни странно, но именно в этом случае возникают агрегаты, максимально приближенные к карбонатному случаю, то есть истинные сталактиты, в том числе монокристаллические трубчатые с полным гравитационным контролем. Причина здесь проста. Висящая в холодном воздухе капля имеет переохлажденный внешний слой, и в момент отрыва расплав кристаллизуется по периметру мениска. То есть физика практически идентична карбонатному случаю - механическое возмущение при отрыве капли вызывает лавинообразную кристаллизацию на мениске.

Ледяной случай даже более показателен, чем кальцитовый. Ледяные сосульки, имеющие возраст более суток (не в пещере), не могут иметь активного питающего канала - за ночь вода в канале замерзает, канал закупоривается, и никакой механизм его вскрытия невозможен теоретически. На следующий день сосулька продолжает рост с гарантированно внешним питанием - и опять с трубкой. То есть, всегда имеющийся канал [Makkonen 1988] - опять же не причина, а следствие.

Имеющееся подразделение сталактитов во типам питания (внешнее-внутреннее) не отвечает ни их морфологии, ни их структуре, ни реальным механизмам их питания.

У истинных сталактитов, кристаллизующихся в результате дегазации раствора или охлаждения расплава, центральный канал является не причиной, а следствием, а наблюдающееся у части трубчатых сталактитов "питание" по каналу - вторично.

Трубчатые туфлактиты преимущественно образуются при кристаллизации на скачке PT-условий. Для этих агрегатов, резко отличающихся от сталактитов по структуре и текстуре, и могущих состоять из любых достаточно растворимых минералов, канал играет реальную питающую роль.

Корлактиты и кристлактиты, кристаллизующиеся при превалирующей роли испарения раствора, также могут образовываться из любых достаточно растворимых минералов, и также резко отличаются от истинных сталактитов по структуре и текстуре. Для них возможно как питание по каналу, так и по поверхности. При этом наличие или отсутствие центрального (или внешнего) питания влияет на их текстуру, но не структуру.

Может быть предложена принципиальная схема развития тех или иных сталактитовидных агрегатов для различных условий по скорости подачи, степени пересыщения, способа создания пересыщения (табл.1). Механизмы питания на данном уровне детальности не имеют выраженного влияния на структуру агрегатов, и весьма слабо выраженное - на текстуру.

Г.А.Максимович. Генетический ряд натечных отложений пещер (карбонатный спелеолитогенез)//Пещеры, вып.5(6). Пермь,1965.

В.Г.Плавшудин. Криптомелановые сталактиты из Никопольского месторождения//Записки ВМО, 1973, т. 102, вып 2, с.213-215.

Д.С.Соколов. Основные условия развития карста. М.,1962

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

В.И.Степанов. 1996 (реставрированная статья, ссылку вставлю)

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

B.A.Makkonen. A model of icicle growth//Journal of Glaciology, vol.34, No. 116, 1988, pp. 64-70.

A.N.Palmer. Geochemical models for the origin of macroscopic solution porosity in carbonate rocks// In book: D.A.Budd, P.M.Harris, A.Saller (eds). Unconformities in carbonate strata: their recognition and the significance of associated porosity. American Association of Petroleum Geologists, 1995, Memoir 63, p.77-101.