Травертин ( / ˈ t r æ v ər ˌ t iː n / [1] TRAV -ər-teen ) — форма земного известняка , отложившегося вокруг минеральных источников , особенно горячих источников . Он часто имеет волокнистый или концентрический вид и бывает белого, коричневого, кремового и ржавого цвета. [2] [3] Он образуется в результате быстрого осаждения карбоната кальция , часто в устье горячего источника или в известняковой пещере. В последнем он может образовывать сталактиты , сталагмиты и другие образования . Он часто используется в Италии и других странах в качестве строительного материала . Подобные (но более мягкие и чрезвычайно пористые) отложения, образовавшиеся из воды комнатной температуры, известны как туф .
Травертин — это осадочная порода , образовавшаяся в результате химического осаждения минералов карбоната кальция из пресной воды [4] , обычно в источниках, реках и озерах; [5] [6] то есть из поверхностных и подземных вод. [7] В самом широком смысле, травертин включает отложения как в горячих, так и в холодных источниках, включая пористую, губчатую породу, известную как туф , [7] [8] [4] , а также пещерные образования, известные как спелеотемы (которые включают сталактиты и сталагмиты ). [9] [5] [7] [10] [8] [4] Калькрет , который представляет собой минералы кальция, отложившиеся в виде горизонта в профиле почвы , не считается формой травертина. [7] [11]
Травертин часто определяют в более узком смысле как плотную породу, иногда массивную, но чаще полосчатую или с волокнистой внутренней структурой, отложившуюся в горячих источниках. [5] [7] [4] [6] В этом более узком смысле травертин отличается от образований [12] и туфа. [5] [13] [6] Травертин иногда определяют по способу его происхождения, как горную породу, образовавшуюся в результате неорганического осаждения минералов карбоната кальция на поверхность после обмена углекислого газа между атмосферой и грунтовыми водами. Калькрет, озёрные мергели и озёрные рифы исключены из этого определения, но включены как образования, так и туфы. [14]
Свежие травертины сильно различаются по своей пористости , примерно от 10% до 70%. Древние из них могут иметь пористость всего 2% из-за кристаллизации вторичного кальцита в исходных поровых пространствах, в то время как некоторые из свежих арагонитовых травертинов в Маммот-Хот-Спрингс в Вайоминге имеют пористость более 80%. Пористость около 50% типична для травертина из холодных источников, тогда как для травертинов из горячих источников средняя пористость составляет около 26%. Спелеотемы имеют низкую пористость менее 15%. [15]
Травертин образует характерные формы рельефа:
Слово «травертин» происходит от итальянского travertino , производного от латинского tiburtinus , означающего «Тибур», ныне известного как Тиволи , недалеко от Рима, Италия. [23] [24]
Образование травертина начинается, когда грунтовые воды ( H 2 O ), содержащие повышенную концентрацию растворенного углекислого газа ( CO 2 ), вступают в контакт с известняком или другой породой, содержащей карбонат кальция ( CaCO 3 ). Растворенный углекислый газ действует как слабая кислота, угольная кислота , которая растворяет часть известняка в виде растворимого бикарбоната кальция ( Ca+2+ 2HCO−3):
Это обратимая реакция , означающая, что по мере увеличения концентрации растворенного бикарбоната кальция бикарбонат кальция начинает превращаться в карбонат кальция , воду и углекислый газ. Пока углекислому газу некуда деваться, достигается химическое равновесие , при котором растворение карбоната кальция уравновешивается осаждением карбоната кальция. [25]
Если грунтовые воды попадают в среду с более низкой концентрацией углекислого газа (измеряемой по парциальному давлению pCO 2 ), некоторая часть углекислого газа уйдет в окружающую среду, нарушая равновесие и позволяя иметь место чистое осаждение карбоната кальция. :
Карбонат кальция наиболее легко осаждается на твердых поверхностях, омываемых грунтовыми водами, в конечном итоге образуя толстые отложения травертина. Из-за роли CO 2 в растворении и транспортировке карбоната кальция его иногда называют переносчиком CO 2 или просто носителем . [25]
Важнейшими источниками повышенной концентрации углекислого газа в подземных водах являются почвы и вулканическая деятельность. Вода, проходя через почву, забирает углекислый газ из корней растений и разлагающихся органических веществ . [26] Этот CO 2 описывается как метеорный носитель, а травертин, образовавшийся по этому механизму, как метеогенный травертин . [25] Это основной механизм образования образований. Грунтовые воды с повышенной концентрацией поглощенного из почвы CO 2 проникают в подстилающий известняк, растворяя часть известняка. Когда эти грунтовые воды затем выходят в пещеру с более низкой концентрацией CO 2 , часть CO 2 уходит, позволяя карбонату кальция осаждаться и образовывать сталактиты, сталагмиты и другие образования. [27] [28]
Вулканическая активность является источником углекислого газа в грунтовых водах, выходящих из горячих источников. Когда вода достигает устья источника, она быстро теряет углекислый газ в открытый воздух и осаждает карбонат кальция вокруг устья источника. Травертин, образовавшийся таким образом, описывается как термогенный травертин . [25] Это может привести к образованию впечатляющих месторождений травертина, таких как месторождения Памуккале или Мамонтовые горячие источники. Углекислый газ может поступать из источников глубоко в Земле, [29] [30] , таких как метаморфизм глубоко погребенных горных пород. Углекислый газ выносится на поверхность магмой и является основным компонентом вулканических газов . [31] [32] Углекислый газ также может образовываться магматическими телами, нагревающими твердую породу у поверхности, в результате термического разложения органического вещества или в результате реакций кварца или других минералов кремнезема с карбонатными минералами . [33]
Осадки могут усиливаться факторами, ведущими к снижению pCO 2 , например, усиление взаимодействия воздуха и воды у водопадов может иметь важное значение [34] , как и фотосинтез. [35]
В редких случаях травертин может образовываться из сильнощелочной воды , содержащей растворенный гидроксид кальция ( Ca+2+ 2OH − ), образующийся при серпентинизации ультраосновных пород . Когда эта щелочная вода достигает поверхности, она поглощает углекислый газ из воздуха, образуя осаждение карбоната кальция: [25]
Хотя вода, газированная в результате вулканической активности, обычно связана с горячими источниками, такая вода иногда охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, прежде чем выйти на поверхность. Точно так же вода, газированная при прохождении через почву, иногда циркулирует на достаточную глубину, поэтому она становится достаточно теплой, когда снова выходит на поверхность. Вода , газированная в результате вулканической активности, тем не менее, будет иметь более высокое содержание растворенного бикарбоната кальция и, как правило, будет более обогащена более тяжелым изотопом 13 C. [36]
Оба основных минерала карбоната кальция, кальцит и арагонит , встречаются в травертинах горячих источников; арагонит преимущественно осаждается при высоких температурах, тогда как кальцит преобладает при более низких температурах. [37] [38] В чистом и мелком виде травертин имеет белый цвет, но часто из-за примесей он становится от коричневого до желтого цвета.
Травертин встречается в сотнях мест по всему миру. [39] Здесь перечислены лишь некоторые примечательные события.
Травертин добывают в Тиволи, в 25 километрах (16 миль) к востоку от Рима, где травертин добывают уже не менее 2000 лет. [40] Травертин Тиволи отложился в теле площадью 20 квадратных километров (7,7 квадратных миль) и толщиной 60 метров (200 футов) вдоль разлома, простирающегося на север, возле спящего вулкана Колли Альбани . На этом месторождении травертина расположен карьер Гуидония. [41] Древнее название этого камня было lapis tiburtinus , что означает камень тибур , который постепенно превратился в травертин (травертин). Детальные исследования травертиновых отложений Тиволи и Гуидонии выявили суточные и годовые ритмические полосы и пластинки, которые могут быть потенциально использованы в геохронологии . [42] Залежи травертина обнаружены примерно в 100 других местах Италии, в том числе в Рапалино недалеко от Пизы .
Каскады естественных озер, образовавшихся за травертиновыми плотинами, можно увидеть в Памуккале , Турция, который является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО . Другие места с такими каскадами включают Хуанлун в китайской провинции Сычуань (еще один объект Всемирного наследия ЮНЕСКО), Мамонтовые горячие источники в США, Эгерсалок в Венгрии, Махаллат , Аббасс Абад, Аташ Кох и Бадаб-э Сурт в Иране , Банд -и-Амир в Афганистане , Лагунас-де-Руйдера , Испания, Иерве-эль-Агуа , Оахака, Мексика и Семук-Чампей , Гватемала .
В последнем послеледниковом палеоклиматическом оптимуме Центральной Европы ( атлантический период , 8000–5000 гг. до н.э.) огромные залежи туфа образовались из карстовых источников . В меньших масштабах эти карстовые процессы все еще действуют. [43] Важные геотопы находятся в Швабском Альбе , главным образом в долинах на переднем северо-западном хребте куэсты ; [44] [45] во многих долинах эродированной периферии карстовой франконской Юры ; и в предгорьях северных Альп . [46] [47]
Травертин образовал 16 естественных плотин в долине в Хорватии , известной как национальный парк Плитвицкие озера . Цепляясь за мох и камни в воде, травертин за несколько тысячелетий образовал водопады высотой до 70 м (230 футов). [48]
В Соединенных Штатах самым известным местом образования травертина является Йеллоустонский национальный парк , где геотермальные зоны богаты залежами травертина. [49] В Вайоминге также есть травертины в государственном парке Хот-Спрингс в Термополисе . [50] В Оклахоме есть два парка, посвященных этому чуду природы. Тернер-Фолс , самый высокий водопад в Оклахоме, представляет собой каскад родниковой воды высотой 77 футов (23 м), стекающий по травертиновой пещере. Хани-Крик питает этот водопад и создает мили травертиновых уступов вверх и вниз по течению. Множество небольших водопадов вверх по течению в густых лесах повторяют эффект травертиновых образований. [51] Другой ресурс травертина находится в Салфуре, Оклахома , в 10 милях (16 км) к востоку от Тернер-Фолс. Травертин-Крик протекает через природный заповедник с родниковой водой на территории Национальной зоны отдыха Чикасо . [52]
Остин, штат Техас , и окружающая его «Хилл-Кантри» на юге построены на известняке. В этом районе много травертиновых образований, например, у водопада Горман в государственном парке Колорадо-Бенд . [53] Висячее озеро в каньоне Гленвуд в Колорадо было образовано травертиновыми плотинами, перегораживающими родниковый ручей. [54] Травертиновые пласты в этом районе имеют толщину до 40 футов (12 м). [55] Государственный парк Райфл-Фолс в Колорадо имеет тройной водопад над травертиновой плотиной. [56] [57]
Система горячих источников Soda Dam в горах Джемез в Нью-Мексико интенсивно исследовалась из-за ее связи с геотермальной системой кальдеры Валлес . Горячие грунтовые воды из кальдеры переместились по разлому Джемез и смешались с более холодными грунтовыми водами, прежде чем выйти на поверхность. Радиометрическое датирование травертинов показывает, что отложение началось почти сразу после извержения кальдеры Валлес и что в этом районе происходит отложение, которое началось 5000 лет назад. [58] Новый вид экстремофильных зеленых водорослей Scenedesmus был впервые выделен из травертина Содовой плотины. [59]
В Исландии река Хванна, расположенная на северном склоне Эйяфьятлайёкюдля , после извержений 2010 года была сильно загрязнена CO2 . Травертин осадился вдоль реки. [60]
Травертин часто используется в качестве строительного материала . Обычно у него отсутствуют слабые места, а его высокая пористость делает его легким по весу при своей прочности, придает ему хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства и делает его относительно простым в работе. Плотный травертин при полировке становится отличным декоративным камнем. [61]
Римляне добывали месторождения травертина для строительства храмов, памятников, [62] акведуков, [63] банных комплексов, [64] и амфитеатров, таких как Колизей , [65] самое большое здание в мире, построенное в основном из травертина. [66] В Италии известные карьеры травертина существуют в Тиволи и Гуидонии-Монтчелио, где можно найти самые важные карьеры со времен Древнего Рима. [67] Карьеры Тиволи поставляли травертин, из которого Джан Лоренцо Бернини выбрал материал для строительства колоннады площади Святого Петра в Риме ( colnato di Piazza S. Pietro ) в 1656–1667 годах. [68] Микеланджело также выбрал травертин в качестве материала для внешних ребер купола собора Святого Петра . [69] Травертин из Тиволи использовался при создании большей части фонтана Треви в Риме в период барокко . [70]
Травертин вновь обрел популярность как строительный материал в средние века. [71] В центральном немецком городе Бад-Лангенсальца есть сохранившийся средневековый старый город, построенный почти полностью из местного травертина. [ нужна цитация ] Здания двадцатого века, в которых широко используется травертин, включают базилику Сакре-Кер в Париже , Центр Гетти в Лос-Анджелесе , Калифорния, и Shell-Haus в Берлине . Травертин, использованный в конструкциях Центра Гетти и Шелл-Хаус, был импортирован из Тиволи и Гуидонии. [72]
Травертин – один из нескольких натуральных камней, который используется для мощения патио и садовых дорожек. [73] Иногда его называют травертиновым известняком или травертиновым мрамором; это один и тот же камень, хотя травертин правильно классифицируется как разновидность известняка, а не мрамора . Камень характеризуется ямками и впадинами на его поверхности. Хотя эти провалы возникают естественным образом, они указывают на признаки значительного износа с течением времени. Его можно отполировать до гладкой блестящей поверхности, он бывает различных цветов: от серого до кораллово-красного. Травертин доступен в размерах плитки для напольной установки. [74] [75]
Травертин – один из наиболее часто используемых камней в современной архитектуре . Он обычно используется для полов в домах и офисах, полов во внутренних двориках, стен и потолков спа, фасадов и облицовки стен . Стены вестибюля модернистской башни Уиллис-Тауэр (1970 г.) (бывшая Сирс-Тауэр) в Чикаго выполнены из травертина. [76] Архитектор Велтон Беккет часто включал травертин во многие из своих проектов. [77] Медицинский центр Рональда Рейгана Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе облицован более чем 3 миллионами фунтов (около 1360 тонн) травертина Ambra Light из карьеров Тиволи. [78] Архитектор Людвиг Мис ван дер Роэ использовал травертин в нескольких своих основных работах, включая Центр Торонто-Доминион , [79] SR Crown Hall , [80] Дом Фарнсворта [81] и Павильон Барселоны . [82] Капитолий штата Нью-Мексико имеет свою ротонду, отделанную травертином [83] , добытым из месторождения к западу от Белена, штат Нью-Мексико . Камень из этого карьера также используется в зданиях Университета Нью-Мексико . [84] [85]
До 1980-х годов Италия была почти монополистом на мировом рынке травертина; в настоящее время значительные запасы добываются в Турции, Мексике, Китае , Перу и Испании. Импорт травертина в США в 2019 году составил 17 808 метрических тонн, из которых 12 804 были из Турции. [86]