В.И.Степанов

Структуры и текстуры минеральных агрегатов, образующихся в свободном пространстве пустот

Опубликовано:
Спелеология в России, вып.1. - М., 1998.- с.70-91.

Предисловие к статье В.И.Степанова

Несколько лет назад отечественная минералогия лишилась одного из наиболее блестящих исследователей - В.И.Степанова. К вящему сожалению, Виктор Иванович относился к той категории сверхтребовательных к себе ученых, которые всегда готовы делиться знанием с другими в устной форме, но никогда не публикуют работ, не доведенных до абсолютного совершенства. Вследствие этого, В.И.Степанов оставил всего десяток опубликованных статей - и гигантского размера архив образцов, черновиков, набросков, зарисовок, фотографий, хранящийся в Минералогическом Музее РАН им. Ферсмана. Значимая часть архива относится к кристаллизации в свободном пространстве, изученной в-основном на материале карстовых пещер.

В 1994 году были предприняты попытки систематизации архива в части, относящейся к кристаллизации в карстовых пещерах. Итальянским Институтом Спелеологии по настоянию Паоло Форти был выделен грант, сотрудниками Музея Т.И.Матросовой и А.Б.Никифоровым были проведены соответствующие работы. В частности были найдены два варианта набросков к диссертации по теме кристаллизации в свободном пространстве, а также несколько набросков статей, во многом покрывающих содержание знаменитых Степановских лекций для минералогов и спелеологов (впрочем, записанных весьма конспективно, так что их пришлось дополнять из сохранившихся конспектов лекций).

Предлагаемая статья была собрана В.А.Мальцевым из части этих фрагментов, датируемых 1969-1985. Естественно, некоторые частности устарели, некоторые не опубликованные вовремя термины отчасти заместились альтернативными или получили иное толкование, но цельность и системность подхода до сих пор могут рассматриваться как эталон в подобных исследованиях.

Возможно, некоторое удивление "спелеологического" читателя вызовет тот факт, что вводная часть работы посвящена не пещерам, а рудным объектам. Но в том-то ее главная ценность - что В.И.Степанов не разделял просто минералогию и минералогию пещер, а считал пещеры великолепным полигоном для изучения редких общеминералогических ситуаций. И - попробуйте заменить названия минералов на привычные для пещер, скажем, кальцит вместо халцедона в дискуссии о корках - и перед вами типичная ситуация пещер. К тому же этот фрагмент - единственный найденный текст, наглядно демонстрирующий понятийную и инструментальную базы "степановского" подхода в онтогении минералов, без вникания в которые понимание "чисто спелеологических" приложений невозможно.

В.А.Мальцев
Т.И.Матросова
А.Б.Никифоров
П.Форти

Положительный результат может
дать только комплексное рассмотрение
разномасштабных данных, если изучение
строения рудных тел ... увязать с
систематическим изучением текстур руд.
Таким образом может быть ликвидирован
неправильный подход к изучению руд,
приводящий нередко в тупик многих
исследователей рудных месторождений.

А.Г.Бетехтин

Начало этой работы можно отнести к 1950-м годам под влиянием публикаций Д.П.Григорьева и Г.Г.Леммлейна [Григорьев 1946, 1948, 1949а, 1949б, 1951, 1961; Леммлейн 1945, 1946, 1948], образно и ярко продемонстрировавших реальное строение и элементы геометрии роста индивидов минералов и некоторых их агрегатов. Казалось, что приемы, разработанные этими авторами для продуктов кристаллизации в пустотах, пригодны и для реставрации геометрии роста минеральных агрегатов жил выполнения вольфрамовых месторождений, которые изучал в то время автор. Тем более, что в публикациях на эту тему до сих пор утверждается - массивные жилы выполнения возникли в зияющих трещинах отрыва за счет друзового роста жильных минералов на стенках трещины.

Наблюдения строения жил, проведенные автором на многих десятках срезов штуфов и сотнях прозрачных препаратов с применением всех накопленных к тому времени критериев совместного и последовательного роста зерен минералов, привело к совершенно неожиданному результату. Весь объем жилы представляет собой единое гомогенное тело, все детали строения которого непротиворечивым образом образуют единую систему в том и только том случае, если допустить следующую версию ее кристаллизации - возникновение при непрерывной собирательной перекристаллизации во всем объеме жилы синхронно с пульсационным поступлением вещества по постоянно подновляемым капиллярным трещинам, расширявшимся за счет поступающего материала и, возможно, кристаллизационного давления. Если это так, то никаких зияющих трещин не было, а кристаллизация происходила во всем объеме твердого тела жилы. Вывод до такой степени противоречил общепринятому мнению, что у автора не хватило смелости (да и умения) выступить с этими результатами. Тем более, что оставалась доля сомнения - к тому времени были изучены только простейшие типы минеральных агрегатов, крустифицировавших пустоты, и общие закономерности такой кристаллизации были совершенно не ясны.

Таким образом возникла дилемма - твердофазовая кристаллизация, или рост в свободном пространстве на твердой матрице. Для разрешения этой загадки автор провел серию исследований. Изучение (реставрация) геометрической картины роста минеральных агрегатов, возникших в открытом пространстве пустот методически значительно легче прочих ситуаций из-за обычно ярко выраженного крустификационного их строения. Поэтому выяснение общих закономерностей такой кристаллизации казалось более легкой частью задачи. Однако на этом пути было существенное препятствие. Многие считают, что так называемые "колломорфные" структуры минеральных агрегатов являются вторичными, возникшими за счет перекристаллизации первичных коллоидных осадков (гелей)¹. Детальное изучение строения таких агрегатов, впервые проведенное Ю.М.Дымковым [1957, 1960, 1962, 1966а, 1966б], и позднее рядом других авторов, указало на их кристаллизационную структуру. Эти работы привели к дискуссии сторонников противоположных точек зрения (1953-1966 гг). Видимо, этому способствовало отсутствие ответа на кардинальный вопрос - о принципиальной возможности возникновения сферолитовых корок за счет перекристаллизации коллоидных осадков. На этот вопрос автор получил однозначно отрицательный ответ [Степанов 1970].

Предметом исследований послужили классические образцы "колломорфных агрегатов" - гладкие сферолитовые корки люссасита (в₂-кристобалита) и халцедона ("стеклянные головы"). Структура и текстура таких корок рассмотрена в свете современных физических данных о законах кристаллизации. Существенными в этом отношении явились три положения, однозначно обоснованные обширным экспериментальным материалом:

1. Зародыши кристаллов (центры роста будущих зерен и сферолитов) возникают при нуклеации пересыщенных растворов. Вероятность их возникновения на твердом субстрате, ограничивающем раствор, или твердых частичках (мицеллах), суспензированных в нем, на много порядков выше, чем в чистом растворе. Причиной этого является уменьшение порога энергии активации кристаллизации за счет эпитаксии и адсорбции на твердом теле. В предельном случае скорость роста определяется скоростью диффузии.
2. Скорость диффузии растворенных веществ в истинных растворах, золях и гелях практически одинакова. Этот факт легко понять, учитывая, что дисперсионная среда коллоида представляет собой истинный раствор дисперсной фазы.
3. Использованы данные о вязкости истинных растворов, рассолов, гидрозолей, студней и расплавов. По закону Стокса рассчитано время погружения частиц кварца в вязких растворах (на примере глицерина с вязкостью 20 пуаз. - в 2000 раз большей, чем у истинных водных растворов). Показано, что скорость роста зародышей по меньшей мере соизмерима со скоростью их погружения. В более вязких средах - студнях, гелях и силикатных расплавах, кристаллы вырастают до значительного размера, находясь во взвешенном состоянии.

Рассмотрение прямой модели роста показало, что в истинных растворах и золях идет нормальный рост сферолитовой корки. В вязких гелях, студнях или расплавах идет рост зародышей во всем объеме пространства кристаллизации с образованием массивных зернистых или сферолитовых тел. Рассмотрена модель "от обратного". Предположено, что в приведенных выше аргументах есть дефекты и происходит рост сферолитовой корки за счет вещества геля - студня. Показана невозможность продолжения такого роста.

Наконец, рассмотрена третья независимая модель роста на основе применения универсального принципа симметрии П.Кюри. Общая формулировка этого принципа гласит: "если какая-то причина вызывает какое-то следствие, то симметрия причины должна отображаться в симметрии следствия". Вспомогательным понятием, облегчающим применение указанного принципа, является понятие о характеристической симметрии: "характеристическая симметрия некоторого явления есть максимальная симметрия, совместимая с существованием явления".

Рассмотрим характеристическую симметрию массопереноса вещества при кристаллизации в вязкой среде, и симметрию структуры и текстуры возникающего агрегата. Вследствие вышеописанного, зародыши, выросшие во взвешенном состоянии до значительного размера, не могут не подпадать под влияние гравитации, ограничивающей симметрию среды, и тем самым вызывающей дисимметрию (принцип П.Кюри определяет дисимметрию, как неполную симметрию по сравнению с максимально возможной для явления). В данном случае она проявляется образованием агрегатов в нижней части полостей, ограниченной сверху горизонтальной поверхностью бывшего вязкого раствора (геля, студня, расплава), т.е. носит гравитационный характер. Типичным примером таких агрегатов являются так называемые агаты "уругвайского типа", проявляющие четкую горизонтальную зональность в отложении слоев силикагеля, быстро твердеющих (застудневание), и превращающихся в агрегат сферолитов халцедона вышеописанным способом кристаллизации. Характеристическая симметрия этой текстуры - симметрия цилиндра (L_œœPœC), с вертикальной относительно горизонта осью. Согласно принципу П.Кюри "когда действия проявляют некоторую дисимметрию, то эта дисимметрия должна обнаруживаться и в причинах, их порождающих". Очевидно, что причиной является дисимметрия поля земного тяготения, в любой точке земной поверхности обладающая той же характеристической симметрией цилиндра.

Структура "колломорфной" сферолитовой корки отличается беспорядочным распределением сферолитов одинакового размера на поверхности нарастания с четко выраженным геометрическим отбором (ортотропизмом роста) между ними, подобно таковому обычных друз кристаллов. Характерно, что индивидуальные сферолиты корки снаружи ограничены правильной шаровой поверхностью, и имеют концентрическую зональность при равной толщине соответствующих зон по всей площади агрегата. Текстуру гомогенного агрегата можно определить только наблюдением вариаций структуры (или отсутствием таковых) во всем объеме синхронной кристаллизации. В данном случае она характеризуется идентичностью строения "колломорфной" корки на нижней, верхней, и боковых стенках полости, т.е. на ее формирование не влияет сила гравитации. Характеристическая симметрия структуры корки, как видно из описания, обладает симметрией цилиндра (L_œœPœC), т.е. резкой дисимметрией относительно поверхности нарастания, вызванной дисимметрией сил адсорбции, имеющей ту же характеристическую симметрию относительно поверхности раздела жидкое - твердое. Характеристическая симметрия текстуры корки отображает идентичность структуры на всей поверхности полости, т.е. отвечает симметрии сферы (œL_œœPÑ), указывающей на диффузионный массоперенос вещества при кристаллизации.

Таким образом, структура метаколлоидного агрегата, возникающего при кристаллизации студня (геля), имеет характеристическую симметрию сферы (œL_œœPÑ), а текстура его имеет симметрию цилиндра (L_œœPœC)². Структура же "колломорфной" сферолитовой корки имеет характеристическую симметрию цилиндра, а текстура - симметрию сферы. Следовательно, эти два типа агрегатов обратно симметричны. Согласно универсальному принципу симметрии Кюри, на их кристаллизацию влияли различные причины, т.е. при кристаллизации в гелях не могли возникнуть силы, способные создать структуру и текстуру сферолитовой корки. Все вышеизложенное обнаруживает, что три независимые модели роста сферолитовых корок дают один и тот же результат: колломорфные агрегаты не могут быть продуктами кристаллизации или перекристаллизации гелей, а являются продуктами сферолитовой кристаллизации из истинных растворов.

Из приведенных выше данных следуют некоторые выводы общего значения. Кажется несомненным, что на возникновение той или иной структуры агрегатов решающее влияние оказывает положение центров роста слагающих агрегат индивидов, а не фазовое состояние среды кристаллизации. Это положение, видимо, следует понимать так, что в общем случае по структуре агрегатов нельзя судить о фазовом состоянии среды кристаллизации.

С целью проверки этой версии автором было проведено исследование друзовых структур корок сферолитов и сфероидолитов (эллиптических сферолитов) марганцевого окисного минерала тодорокита, выросших путем метасоматического замещения стратифицированных морских осадков вулканических туфов на марганцевых месторождениях Восточной Кубы [Соколова, Степанов, Брито, Коутин 1971]. Выяснено, что в зависимости от соотношений скорости кристаллизации, кинетики нуклеации (количества возникших центров роста индивидов), и привноса вещества к растущему минералу образуются три типа агрегатов тодорокита:

1. Массивные слоистые руды, полностью повторяющие текстурный рисунок вмещающей породы. Их гетерогенная структура представлена мелкозернистыми агрегатами тодорокита, заместившими тонкодисперсную часть породы и цементирующими более крупные обломки и порфировые вкрапленники оливина, пироксена и полевых шпатов (цементная структура псевдоморфизации).
2. Корки почковидных конкреций с аналогичной первому типу агрегатов цементной структурой. Внешние контуры агрегата резкие. От почковидных ("курчавых") конкреций видны постепенные переходы в грубые разветвляющиеся дендриты такого же строения.
3. Сферолитовые и сфероидолитовые грубоволокнистые корки разной степени сложности, целиком заместившие породу и имеющие резкий внешний контакт с вмещающим вулканическим туфом (сфероидолитами предлагается называть такие разновидности сферолитов, которые имеют эллиптическую, а не обычную шаровую концентрическую зональность роста. Расходящиеся от центра волокна в сферолитах прямолинейны, а в сфероидолитах изогнуты от оси симметрии в наружную сторону. Сфероидолиты, как и сферолиты, можно рассматривать как индивиды, которые могут образовывать различные агрегаты.).

Сферолитовые корки тодорокита имеют типичную друзовую структуру с геометрическим отбором между отдельными сферолитами, и ничем не отличаются от классических корок халцедона. При утолщении отдельных прослоев корок на сколах видно постепенное изменение шаровых ограничений отдельных концентров сферолитов в эллиптические. Это прежде всего выражается в уплощении вершины и в увеличении крутизны наклона поверхности концентров в боковых частях сферолита относительно основания корки. Таким образом формируются друзы сфероидолитов с уплощенной почковидной поверхностью и очень ярко выраженным геометрическим отбором сфероидолитов, обнаруживаемым на сколе. Такие агрегаты, но выросшие в пустотах, характерны для малахита. На сколах массивных сфероидолитов тодорокита нередко появляется специфический мерцающий блеск, свидетельствующий об осевом скручивании волокон, подобно таковому у халцедона. Наблюдались постепенные переходы массивных сфероидолитовых корок в грубые разветвляющиеся дендриты. На почковидных головках таких дендритов иногда нарастают ветви мелкозернистого тодорокита с цементной структурой, унаследовавшие форму единого дендрита. Этот факт является дополнительным аргументом о метасоматическом росте сферолитовых агрегатов тодорокита.

Строение вышеописанных агрегатов во всех деталях идентично таковому типичных крустификационных корок, выросших в пустотах. Примеры друзовых сферолитовых структур, выросших метасоматическим путем, были известны и ранее. Например, общеизвестны такие агрегаты геденбергита и волластонита из Дальнегорских полиметаллических рудников. Эти данные свидетельствуют об обоснованности приведенного выше тезиса: структуры минеральных агрегатов не определяются фазовым состоянием среды кристаллизации, а отображают исключительно кинетику процесса кристаллизации. Это заключение не означает, что нет никаких зависимостей между структурами агрегатов и фазовым состоянием пространства кристаллизации, но они не носят абсолютного характера. Приведенные примеры как раз и демонстрируют это - друзовые структуры, возникшие в свободном пространстве кристаллизации и в массе твердых тел - идентичны, но они не могут возникать в вязких средах. Зернистые структуры (обычные и сферолитовые) не могут возникнуть при кристаллизации в свободном пространстве, но они идентичны для твердых и вязких сред кристаллизации. Справедливость тезиса вытекает и из физически строгого определения структуры агрегата как геометрической картины, образуемой поверхностями раздела отдельных индивидов минералов, формирующих минеральный агрегат.

Как известно, форма и положение индивидов, определяющих основные черты структуры агрегата, в пространстве, зависит только от многочисленных кинетических эффектов при кристаллизации - в том числе от режима изменения градиента пересыщения раствора, симметрии питания, скорости и анизотропии роста, поверхностных явлений на растущих гранях, эпитаксии, энергии границ зерен, наличия стрессовых нагрузок, и др.

Установленная закономерность в свете поставленных задач сильно разочаровывает. В этом отношении геологи интуитивно считают структуру минеральных агрегатов более информативной. К счастью, эти огорчения компенсируются "второй стороной медали" минеральных агрегатов - текстурой. Понятие "текстура" предложено Грубенманом [1904, 1912] как "пространственные особенности строения агрегатов", но это определение приложимо и к понятию "структура". В результате возникла путаница, тем более, что многие последующие авторы в своих, сильно отличающихся определениях, не давали строгих граничных признаков между понятиями. Под рубрику "текстура" попадали даже тела с составными частями разного происхождения ("брекчиевая текстура", "прожилковая текстура" и др.)³. Работы автора позволили найти строгие границы между этими понятиями [Степанов 1970, 1971]. Прежде всего выяснилось, что они приложимы только к гомогенным агрегатам, т.е. продуктам синхронной кристаллизации. Наблюдение обнаруживает, что в этих условиях могут возникать различные структуры, между которыми существуют взаимные переходы. Именно эти явления вынудили автора считать обязательными наблюдения продуктов кристаллизации во всем пространстве синхронной кристаллизации. Причем вначале и помыслов не было о необходимости введения понятия текстуры. Главной задачей ставилась реставрация развития структуры в виде последовательной смены чисто геометрических образов. Однако приложение универсального принципа симметрии Кюри к полученным результатам выявило, что различные части всего пространства кристаллизации описываются как одно целое - отражающее "пространственные особенности строения агрегата" (см. определение текстуры у Грубермана). Отсюда следует более строгое определение текстуры : текстура отображает геометрические особенности вариации структур минеральных агрегатов (или отсутствие таковых) во всем пространстве синхронной кристаллизации.

Из определения видно, что вначале автор не выходил за пределы чисто геометрических характеристик минеральных агрегатов. Рассмотрение геометрических образов структур и их вариаций с позиций универсального принципа симметрии Кюри требовало их описания понятиями симметрии. При этом, совершенно неожиданно для автора, полученные геометрические и симметрийные характеристики структур и текстур оказались информационными системами, заключающими в себе сведения не только о геометрии роста, но и дающих количественную характеристику конкретных физических сил, влиявших на кристаллизацию. Можно себе представить, как на это мог реагировать наблюдатель, совершенно незнакомый с общей теорией систем. Уже поверхностное знакомство с этой областью информатики обнаруживает, что в любой природной системе содержится избыточная (эмерджентная) информация о свойствах системы в целом. С этих позиций текстура представляет собой эмерджентное свойство системы гомогенных структур всего пространства синхронной кристаллизации.

Основные принципы реставрации процессов кристаллизации минеральных агрегатов пещер

1. Общая ситуация.

Несмотря на большое количество опубликованных работ по данной тематике, прослеживается практически полное отсутствие систематических исследований - до сих пор единственной глубокой работой на эту тему является [Prinz 1908].

В то же время кристаллизация в карстовых пещерах чрезвычайно показательна, особенно в свете концепций, изложенных в предыдущем разделе работы. Действительно, в данном случае "пространство синхронной кристаллизации" обычно совпадает с наблюдаемым пространством, а структуры и текстуры агрегатов практически не подвергаются последующим внешним воздействиям.

Минеральные агрегаты карстовых пещер весьма разнообразны, причем встречаются как в виде одиночных форм, так и в виде парагенетических ансамблей, простейшими примерами которых могут являться пары сталактит-драпировка, трубчатый сталактит-геликтит, и другие (см. диаграмму 1). У агрегатов, входящих в парагенетические ансамбли⁴, обычно наблюдаются искажения их структуры, текстуры и морфологии по сравнению с одиночными формами тех же агрегатов. Во многих случаях искажения достигают такой степени, что уже становится невозможно говорить о парагенетических ансамблях, а приходится говорить о гибридных текстурах (например, вместо ансамбля сталактит-кораллит появляется корлактит).

Во многих случаях парагенетические ансамбли проявляют индивидуальность своей морфологии - свойство, ранее не известное для минеральных тел, и всегда считавшееся атрибутом исключительно живых организмов⁵.

2. Принципы реставрации процессов кристаллизации.

Факторов, влияющих на морфологию минеральных агрегатов пещер, в реальности весьма немного. Это:

А. Влияние кинетики кристаллизации на морфологию индивидов.

Приведем в качестве примера случай субаэрального роста карбонатов группы кальцита, т.е. низкомолекулярных соединений с пересыщением раствора, управляемым дегазацией.

Для кристаллов по возрастанию степени пересыщения раствора (или скорости кристаллизации, что то же самое), морфология индивидов изменяется от крупных совершенных кристаллов (очень малая степень пересыщения) к мелким несовершенным кристаллам (средняя степень пересыщения), далее к игольчатым и скелетным кристаллам (высокая степень пересыщения), далее к суспензиям мелких скелетных кристаллов⁶, возникающим при объемной кристаллизации (очень высокая степень пересыщения).

Для расщепленных кристаллов точно так же по возрастанию степени пересыщения располагаются сферокристаллы, кристаллические расщепленные иглы, сферолиты и сфероидолиты, дендриты сферолитов и сфероидолитов, суспензии.

Б. Влияние способа переноса питающих растворов.

Для наиболее распространенного субаэрального случая выделяется три основных типа питания - линейное (осевое), реализующееся как через капиллярную, так и через гравитационную подачу раствора, площадное, реализующееся исключительно через капиллярные пленки⁷, и объемное, реализующееся исключительно через гравитационные потоки. Несколько более детализированная схема приведена в диаграмме 2.

В. Влияние собственной структуры и симметрии массопереноса в среде кристаллизации.

Именно наличие этого фактора позволяет выделять при реставрации процессов критерии различия сред кристаллизации в случае совпадения способов подачи питающего раствора. Каждая из основных сред кристаллизации обладает своей собственной характеристической симметрией [Степанов 1979, 1971]. Для субаквальных сред это - симметрия сферы, для сред с гравитационными потоками это - симметрия цилиндра, для сред с капиллярными пленками - симметрия конуса.

Как показано в [Степанов 1971], кристаллизация в карстовых пещерах - процесс циклический. Среды кристаллизации циклически сменяют друг друга, вызывая тем самым глобальную смену текстур во всем пространстве синхронной кристаллизации. В свете этого представляется имеющим смысл введение понятия "кор" - объединения агрегатов, выделяющихся во всем пространстве синхронной кристаллизации на отрезках цикла кристаллизации, характеризующихся неизменностью фазового состояния сред кристаллизации. Так, в большинстве карстовых пещер выделяются сталактит-сталагмитовые туфовые коры, сталактит-сталагмитовые сферолитовые коры, кораллит-кристалликтитовые коры, антолитовые коры.

При общей бедности карстовых пещер минеральными видами, а также "чистоте" и постоянстве физико-химических условий кристаллизации, имеется принципиальная возможность теоретического вывода всех возможных простых форм минеральных агрегатов (и наоборот, для комбинированных форм и ансамблей такая возможность полностью отсутствует). Диаграммы 1 и 2 представляют попытку полной как теоретической, так и эмпирической систематизации возможных простых форм минеральных агрегатов пещер, а также наиболее типичных парагенетических ансамблей.

3. Примеры наиболее типичных простых форм и ансамблей для субаэральных сред кристаллизации. Определения не классифицированных ранее агрегатов⁸.

А. Гравитационные формы.

А-1.Сталактиты:

• при строго осевом питании возникают трубчатые сталактиты (макароны), характеризующиеся постоянным диаметром канала и структурой, контролируемой геометрическим отбором при росте на мениске капли;
• при комбинированном площадном и осевом питании возникают конические сталактиты. Их нельзя рассматривать просто как обросшие сферолитовой коркой трубчатые сталактиты, так как синхронное обрастание влияет на морфологию мениска;
• при линейном питании возникают драпировки;
• чрезвычайно характерны ансамбли сталактитов и драпировок;
• особо могут быть выделены туфлактиты - сталактиты, растущие в условиях высокого пересыщения, состоящие из известкового туфа, и тем самым лишенные структуры, задаваемой геометрическим отбором. Разделение понятий убирает также конфликт между распространенным определением, что трубчатые сталактиты всегда монокристалличны, и существованием трубчатых туфлактитов, характерных, например, для штолен Хайдаркана.

А-2. Сталагмиты:

• при площадном питании (плоский гравитационный поток) возникают сталагмитовые коры, причем наиболее часто - туфовые сталагмитовые коры. Особый случай - сферолитовые покровные коры (ониксовые), характерные для пещер Хайдаркана (Киргизия), и Кугитангтау (Туркмения);
• при осевом питании возникают собственно сталагмиты. Первичная стадия роста сталагмита представлена эггутацией - возникновением локальной сферолитовой корки, известной как "яичница". При дальнейшем росте вступает в силу геометрический отбор, приводящий в случае обелисковых сталагмитов к монокристаллическим разностям;
• по аналогии с разделением понятий сталактита и туфлактита, введем определение туфлагмита, точно так же лишенного структур, задаваемых геометрическим отбором;
• отметим, что в отличие от сталактитов, морфология сталагмитов (но не туфлагмитов) не зависит от их минерального состава. Строго идентичные структуры и текстуры возникают и в случае кальцита, и в случае гипса, и в случае льда;
• весьма характерны и разнообразны ансамбли сталагмитов и сталагмитовой коры, а также туфлагмитов и туфовой коры.

А-3. Сталактит-сталагмитовые коры.

Сталактит-сталагмитовая кора, равно как и туфовая сталактит-сталагмитовая кора [Степанов 1971], по сути состоят из агрегатов чрезвычайно близких структур и текстур, обладающих единой характеристической симметрией. Вместе с тем конкретные составы этих кор по агрегатам могут значительно варьировать. Существуют, например, пещеры с резким преобладанием сталагмитовых форм, а также наоборот. В большинстве случаев, как это показано в [Максимович 1965], соотношение количества сталактитовых и сталагмитовых форм контролируется исключительно степенью обводненности пещеры.

Б. Кристаллизация из испаряющихся капиллярных пленок.

Б-1. Кораллиты.

Термин введен в [Щербан, Фиман, Коман 1961] для дендритных сфероидолитов, нарастающих на выступах субстрата выше уровня текущей или стоячей воды. Там же впервые выдвинуто предположение об их росте из испаряющихся капиллярных пленок. Это положение легко доказывается через принцип Кюри [Степанов 1971] - текстура кораллитов имеет характеристическую симметрию конуса с осью, направленной по нормали к поверхности субстрата, отвечающую характеристической симметрии массопереноса в испаряющейся капиллярной пленке.

Кораллиты имеют значительные вариации текстуры, и условно могут подразделяться на простые, ветвистые, и колониальные. Характерны постепенные переходы гравитационных текстур к кораллитовым по мере уменьшения толщины пленки и тем самым ее способности к движению под действием силы тяжести. Так, типичны постепенные переходы конических сталактитов в кораллиты.

Б-2. Кристалликтиты.

Являются частным случаем кораллитов, структурно представляющих собой специального вида дендриты кристаллов, а не сфероидолитов, как в предыдущем случае. Текстура агрегатов та же. Обычны взаимные переходы между кораллитами и кристалликтитами. Кристалликтиты более характерны для таких минералов как гипс или арагонит, для которых сферолиты и сфероидолиты нехарактерны.

И кораллиты, и кристалликтиты в чистом случае имеют площадное питание, образуя иногда переходные формы к линейному и осевому питанию. Так же, как и в случае гравитационных текстур, агрегаты кораллитовых и кристалликтитовых текстур могут рассматриваться совместно, как кораллитовая кора.

Б-3. Переходные формы.

Как отмечалось выше, для кораллитов характерны постепенные переходы с коническими сталактитами. В реальности такие переходы возникают и в парах сталагмит-кораллит, конический сталактит-кристалликтит, сталагмит-кристалликтит.

Если на начальных фазах перехода такие пары могут быть классифицированы как обрастания, то в более развитом случае приходится говорить о гибридных текстурах, имеющих свойства обеих составляющих одновременно. Приведем в качестве примера гипсовые "люстры" пещер Кугитангтау в Туркмении, аналогичные кальцитовые из пещеры Кристальная в Крыму, дендритные "сталагмиты" из пещеры Музейная на Алтае. Поскольку названия для подобных гибридных текстур полностью отсутствуют, назовем их соответственно корлагмиты, кристлагмиты, корлактиты, кристлактиты.

В. Геликтиты.

В-1. Классический случай.

Геликтиты возникают при кристаллизации на выходе капиллярного канала, тем самым являясь формами с осевым питанием, задаваемым капиллярностью⁹. Они характеризуются независимостью текстуры от гравитации, колебаниями диаметра канала и толщины агрегата. Существуют монокристаллические и поликристаллические разности¹⁰.

В-2. Переходные формы и ансамбли.

Существуют последовательные переходы от сталактитов к геликтитам, образующие в центральной части перехода гибридную текстуру. Подобные агрегаты будем называть гелилактитами. Даже в случае полного совпадения внешнего вида гелилактита с трубчатым сталактитом, отличить их просто - гелилактит имеет вариации диаметра агрегата и толщины канала, а трубчатый сталактит не имеет.

Ансамбли сталактитов (особенно трубчатых) с геликтитами, и гелилактитов с геликтитами распространены чрезвычайно широко.

Г. Объемная капиллярная кристаллизация.

Характеризуется появлением агрегатов мондмильха - суспензий скелетных микрокристаллов. Исследования, проведенные автором в пещере Творожная (плато Лагонаки, Кавказ), показывают наличие переходных форм к гравитационным, а также к формам с ориентировкой, контролируемой ветрами.

О сущности типоморфизма на примере минеральных агрегатов карстовых пещер

Первоначальное значение термина "типоморфизм" [Ферсман, 1952] предлагало наличие индивидуальных особенностей морфологии минералов, зависящих от условий кристаллизации, т.е. в общей закономерной картине роста минеральных индивидов и агрегатов предполагалось наличие случайных, единичных явлений.

В настоящее время термин "типоморфизм минералов" распространено абсолютно на все их свойства, т.е. типоморфными объявляются не только случайные вариации, но и самые общие точно установленные закономерности в строении и свойствах вещества. Тем самым ликвидировалось имевшееся первоначально противопоставление типоморфных и не типоморфных (общих, закономерных) особенностей минералов. Такое положение привело к тому, что понятие "типоморфизм" в современном значении лишилось своего конкретного содержания, превратившись в схоластический термин. Последнее обстоятельство вынудило ряд исследователей морфологии и онтогении минералов отказаться от применения этого термина.

Детальные шестилетние исследования закономерностей роста и строения минеральных агрегатов, возникших в открытых полостях (преимущественно в карстовых пещерах) позволили автору найти не только общие законы формирования текстур минеральных агрегатов в этих условиях, но и выявить широкое проявление случайных (индивидуальных) черт в их строении. Следует однако отметить, что хотя и имеется ряд классов текстур, где такие индивидуальные особенности проявляются достаточно широко, в других классах текстур они не установлены. Первая группа текстур возникает исключительно при росте в струях, потоках и капиллярных водных пленках выше уровня постоянных или временных водоемов, а вторая - только при кристаллизации в таких водоемах. или полостях, целиком заполненных раствором. Наиболее наглядно различие между этими группами можно проследить на примере двух классов текстур - кораллитовой и друзовой.

Из 79 изученных пещер продукты кристаллизации наблюдались в 68 пещерах. Кораллитовые текстуры обнаружены в 53 пещерах, друзовые - в 27 пещерах. Оба типа кристаллизации совместно присутствовали в 17 пещерах.

При наблюдении друзовых текстур не наблюдалось никаких отклонений от общих их особенностей строения, не зависящих от температуры и давления при кристаллизации и минерального состава агрегатов [Григорьев 1961; Дымков 1957-1966; Степанов 1971]. Окристаллизованные друзы и друзы сферолитов (сферолитовые корки) построены тождественно. Тонкие особенности формы и строения кристаллов и сферолитов, слагающих друзы, определяются самыми общими закономерностями кинетики кристаллизации, и не носят индивидуального характера.

Кораллитовые текстуры [Степанов, Лебедев 1955; Степанов, 1965] при идентичности их строения и структуры в целом, для каждой пещеры имеют свой индивидуальный набор вариаций формы индивидов, слагающих агрегаты. Не обнаружено ни одной из 53 пещер, где бы эти вариации были идентичны, отдельные одинаковые формы индивидов встречаются иногда в разных пещерах, но резко отличаются по интенсивности развития и типам вариаций. Таким образом относительно формы индивидов каждая пещера строго индивидуальна.

Вариации формы индивидов кораллитов полностью определяются кинетикой разложения бикарбоната кальция в питающих агрегат при его росте капиллярных пленках. В свою очередь это разложение определяется способом перемещения и вариациями концентрации углекислоты в атмосфере пещеры в непосредственной близости от растущего агрегата. Аэродинамические потоки, несущие углекислоту разной концентрации, полностью определяются формой полости. Как известно, форма полостей пещер совершенно индивидуальна. Таким образом, форма пещер, в конечном итоге, и является причиной индивидуальных колебаний формы индивидов кораллитов.

Применить понятие "типоморфизм минералов" по меньшей мере к одному из этих принципиально разных явлений невозможно не решив дилеммы: что же является содержанием понятия "типоморфизм" - общие закономерности со строго регламентированными явлениями и соотношениями между ними, или индивидуальные (случайные) вариации тех или иных явлений и свойств. И первые и вторые определяются физическими причинами, в первом случае известными, во втором - не выявленные современным знанием.

При применении понятия "типоморфизм" к известным закономерным явлениям и свойствам минералов мы, по существу, ничего конструктивного не добавляем к известному знанию, и этот термин неизбежно не будет носить конкретного характера, как это и имеет место в настоящее время.

При применении понятия "типоморфизм" к случайным вариациям свойств и явлений мы акцентируем внимание на случайных непознанных еще явлениях, и тем самым создаем возможности для их научного познания.

Примечания

¹ Данное понимание "колломорфных" агрегатов халцедона встречается и сегодня - например, в [Турчинов 1994].(текст)

² Очень близкие текстуры возникают также при кристаллизации из гетерогенных сред [Дымков, Слетов 1981], в том числе и в гидротермокарстовых пещерах.(текст)

³ Здесь имеется некоторый конфликт между понятием текстуры минерального агрегата и понятием текстуры горной породы, что не вполне одно и то же.(текст)

⁴ В настоящее время понятие ансамбля перенесено на более высокий уровень иерархии малых минеральных тел [Мальцев 1993, 1996a]. То, что называется ансамблем в данном контексте, в современной классификации называется мультиагрегатом.(текст)

⁵ В [Слетов 1985] это свойство отмечается и для агрегатов специального типа (геликтитов), и названо "поведением". В [Мальцев 1996a] агрегаты и мультиагрегаты, обладающие "поведением" предложено называть интерактивными, т.к. поведение возникает в результате наличия обратной связи между кинетикой массопереноса в среде кристаллизации и динамикой роста агрегата (мультиагрегата).(текст)

⁶ "Горное молоко", которое автор имеет в виду под суспензиями (см. диаграммы), в большинстве реальных случаев имеет более сложную структуру [Hill & Forti 1986, 1997], и биогенный генезис. (текст)

⁷ Автор здесь не рассматривает невозможные для карбонатного случая, но очень характерны для сульфатного, капиллярные, но не пленочные, способы площадного и объемного питания через пористые субстраты [Морошкин 1986, Мальцев 1989, 1996b].(текст)

⁸ К сожалению, не опубликованная своевременно вводимая терминология не встречается в современной литературе, но для многих терминов время не ушло - альтернативных терминов до сих пор нет.(текст)

⁹ Слетов [Слетов 1985] описывает также геликтиты с линейным питанием. (текст)

¹⁰ По [Слетов 1985] - не совсем так. Существуют разности, состоящие из пакета 2-6 сферолитов, и из пакета 2-6 сферокристаллов. В [Мальцев 1996] рассмотрен случай, когда пакет из 3 сферокристаллов только при тщательном изучении отличим от слегка искаженного монокристалла. Существуют также агрегаты, морфологически сходные с геликтитами, но не имеющие основных их структурных признаков. Так, псевдогеликтиты [Maltsev, Self 1992; Hill & Forti, 1997] лишены капиллярного канала, и в реальности являются особого типа полиминеральными кораллитами.(текст)

В.А. Мальцев

ЛИТЕРАТУРА

• Д.П.Григорьев, 1946. Некоторые проявления влияния силы тяжести на образование и распределение минералов в месторождениях // Записки Всесоюзного Минералогического Общества, т. 73, №2
• Д.П.Григорьев, 1948. Минералогические отвесы и уровни // Природа, №3
• Д.П.Григорьев, 1949а. Генерации и зарождения минералов // Минералогический сборник Львовского геологического обшества, №3
• Д.П.Григорьев, 1949б. Определение начала роста натечных образований малахита // Природа, 1949, №3
• Д.П.Григорьев, 1951. О генезисе натечных или метаколлоидных колломорфных агрегатов // Записки Всесоюзного минералогического общества 1951, 80, №1
• Д.П.Григорьев, 1961. Онтогения минералов // Львов, Издательство Львовского университета
• Ю.М. Дымков, 1957. Одновременный совместный рост кристаллов и сферолитов // Труды Минералогического музея АН СССР, вып.8
• Ю.М. Дымков, 1960. Признаки кристаллизационного роста выделений настурана // Записки Всесоюзного Минералогического общества, 89, №6
• Ю.М. Дымков, 1962. Одновременный рост выделений настурана и сопровождающих его минералов // Записки Всесоюзного Минералогического общества, 91, №3
• Ю.М. Дымков, 1966а. Минеральные индивиды и минеральные агрегаты // В книге: Генезис минеральных индивидов и агрегатов. М. Наука
• Ю.М. Дымков, 1966б. Вопросы генезиса сферолитов настурана // Атомная энергия, 20, №3
• Ю.М. Дымков, 1973 Природа урановой смоляной руды (вопросы генетической минералогии) // М. Атомиздат
• Г.Г.Леммлейн, 1945. Процесс геометрического отбора в растущем агрегате кристаллов // ДАН, т. 48, №3
• Г.Г.Леммлейн, 1946. О нарастании кварца на халцедон // В кн. Академику Д.С.Белянкину к 70-летию со дня рождения. М. Издательство АН СССР
• Г.Г.Леммлейн, 1948. Секториальное строение кристаллов // М.-Л. Акад. наук СССР, 40 стр.
• Г.А.Максимович, 1965. Генетический ряд натечных отложений пещер (карбонатный спелеолитогенез) // Пещеры, вып.5(6). Пермь.
• В.И.Степанов, 1970. Об образовании так называемых "колломорфных" агрегатов//Онтогенетические методы в исследовании минералов. М.: Наука, с.198-206.
• В.И.Степанов, 1971. Периодичность процессов кристаллизации в карстовых пещерах//Труды мин. музея им. Ферсмана. Москва, вып.20, с.161-171
• В.И.Степанов, 1973. О целях и методах при исследовании последовательностей кристаллизации в минеральных агрегатах руд // Исследования в области прикладной минералогии и кристаллохимии. Москва, ИМГРЭ, с.3-10.
• В.И.Степанов, Л.М.Лебедев, 1955. Никель-содержащий кальцит из Подольска, Московская область // Труды Мин. Музея АН СССР, вып.7.
• В.И.Степанов, Е.А.Соколова, А.Брито, Д.П.Коутин, 1971. Текстура и структуры стратиформных тодорокитовых марганцевых руд формации Эль-Кобре (Куба). Геология рудных месторождений, №1.
• А.Е. Ферсман, 1952. Избранные Труды т.II, стр.498 // Издательство АН СССР, 1952, всего 768 стр.
• М.Щербан, М.Фиман, Д.Коман, 1961. Пещеры Румынии // Бухарест, "Меридианы".
• U.Grubenman, 1904. Die Kristallinen Schiefer
• U.Grubenman, 1912. Struktur und Textur der metamorphischen Gesteine // Fortschr. Min. Krist. u. Petr. , II, 1912
• W.Prinz, 1908. Lees cristallisations des grottes de Belgique// Nouv. Mem. Soc. Belge. Geol., ser.4, no.2, 90p.
• V.I.Stepanov, 1965. Exploration de la sucsession de cristallisation de agregates minerales comme l'une de facon d'etude de l'histoire de la formation de grottes a concretion calcaire//IV Congres International de Speleologie in Yugoslavia. Resumes des communications. Lublana.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

• Ю.М.Дымков, В.А.Слетов, 1981. Совместное образование кристаллов и зернистых агрегатов в гидротермальных "отстойниках"//Новые Данные О Минералах. Москва, вып.29.
• В.А.Мальцев, 1993. Минералы системы карстовых пещер Кап-Кутан (Юго-Восток Туркменистана) // Мир Камня, №2, Москва, с.5-30.
• В.В.Морошкин, 1986. Карстотипная минерализация: главные особенности и формационные типы // Минералогический Журнал, Киев, т.8 вып.5, с.10-20
• В.А.Слетов, 1985. К онтогении кристалликтитовых и геликтитовых агрегатов кальцита и арагонита из пещер юга Ферганы // Новые Данные О Минералах. Москва, вып.32, с.119-127
• И.И.Турчинов, 1993. Вторичные минеральные образования гипсовых пещер Западной Украины // Свет, 3(9).
• C.Hill, P.Forti, 1986. Cave minerals of the world. NSS, 238 p.
• C.Hill, P.Forti, 1997. Cave minerals of the world, 2-nd edition. NSS, in press.
• V.A.Maltsev, 1989. The influence of season changes of the cave microclimate to the gypsum genesis // Proc.10th Int.Cong.Spel.Vol. III.Budapest, p.813-814
• V.A.Maltsev, 1996a. New levels in minor mineral bodies hierarchy // NSS Convention’1996 program. Salida, Colorado, p.43.
• V.A.Maltsev, 1996B. Sulfate filamentary crystals and their aggregates // Proc. Univ. Bristol Spelaeol. Soc., 20(3), pp 171-185
• V.A.Maltsev, C.A.Self, 1992. Cupp-Coutunn cave system, Turkmenistan, USSR // Proceedings of Bristol University speleological society, vol.19, p.117-150.