Спелеотема ( / ˈ s p iː l i ə θ ɛ m / ; от древнегреческого σπήλαιον ( spḗlaion ) «пещера» и θέμα ( théma ) «месторождение») — геологическое образование, образованное отложениями минералов , которые со временем накапливаются в естественных пещерах . [1] Спелеотемы чаще всего образуются в известковых пещерах в результате реакций растворения карбонатов. Они могут принимать различные формы в зависимости от истории их осадконакопления и окружающей среды. Их химический состав, постепенный рост и сохранение в пещерах делают их полезными палеоклиматическими прокси.
Химические и физические характеристики
Было выявлено более 300 разновидностей пещерных минеральных отложений. [2] Подавляющее большинство спелеотемов известковые, состоящие из минералов карбоната кальция (CaCO 3 ) ( кальцит или арагонит ). Реже спелеотемы состоят из сульфата кальция ( гипс или мирабилит ) или опала . [2] Спелеотемы из чистого карбоната кальция или сульфата кальция полупрозрачны и бесцветны. Присутствие оксида железа или меди обеспечивает красновато-коричневый цвет. Присутствие оксида марганца может создавать более темные цвета, такие как черный или темно-коричневый. Спелеотемы также могут быть коричневыми из-за присутствия грязи и ила . [2]
На форму и цвет спелеотем влияют многие факторы, включая химический состав породы и воды, скорость просачивания воды, направление потока воды, температура пещеры, влажность пещеры, воздушные потоки, надземный климат и надземный растительный покров. Более слабые потоки и короткие расстояния перемещения формируют более узкие сталагмиты, в то время как более сильный поток и большая высота падения, как правило, формируют более широкие сталагмиты.
Процессы формирования
Большая часть химии пещер включает карбонат кальция (CaCO 3 ), содержащий породы, такие как известняк или доломит , состоящий из минералов кальцита или арагонита . Карбонатные минералы более растворимы в присутствии более высокого содержания углекислого газа (CO 2 ) и более низких температур. Известковые натечные образования образуются посредством реакций растворения карбоната, при которых дождевая вода реагирует с почвенным CO 2 , создавая слабокислую воду посредством реакции: [3]
По мере того, как кислая вода перемещается через коренную породу карбоната кальция от поверхности к потолку пещеры, она растворяет коренную породу в результате реакции:
CaCO 3 + H 2 CO 3 → Ca 2+ + 2 HCO 3 −
Когда раствор достигает пещеры, более низкий pCO2 в пещере вызывает осаждение CaCO3 посредством реакции:
Са 2+ + 2 HCO 3 − → CaCO 3 + H 2 O + CO 2
Со временем накопление этих осадков образует натечные образования ( сталагмиты , сталактиты ) и натечные камни — два основных типа образований.
Климатические доверенности
Трансекты спелеотем могут предоставить палеоклиматические записи, аналогичные данным из ледяных кернов или колец деревьев . [4] Медленный геометрический рост и включение радиоактивных элементов позволяют точно и аккуратно датировать спелеотемы на протяжении большей части позднего четвертичного периода с помощью радиоуглеродного и уран-ториевого датирования , при условии, что пещера представляет собой закрытую систему и спелеотем не подвергся перекристаллизации. [5] Стабильные изотопы кислорода ( δ 18 O ) и углерода ( δ 13 C ) используются для отслеживания изменений температуры осадков, осадков и изменений растительности за последние ~500 000 лет. [6] [7] Прокси-коэффициент Mg/Ca также использовался в качестве индикатора влажности, хотя его надежность как палеогигрометра может зависеть от вентиляции пещеры в сухие сезоны. [8] Изменения в осадках изменяют ширину колец спелеотем: закрытые кольца указывают на малое количество осадков, более широкие промежутки указывают на более сильные осадки, а более плотные кольца указывают на более высокую влажность. Подсчет скорости капель и анализ микроэлементов в каплях воды регистрируют краткосрочные климатические изменения, такие как климатические явления Эль-Ниньо–Южное колебание (ENSO). [9] В исключительных случаях данные о климате раннего пермского периода были получены из спелеотем, датированных 289 миллионами лет назад, полученных из заполненных пещер, вскрытых при добыче полезных ископаемых в районе Ричардс-Спур в Оклахоме. [10]
Образования принимают различные формы в зависимости от того, капает ли вода, просачивается, конденсируется, течет или образует пруды. Многие образования названы так из-за их сходства с искусственными или природными объектами. Типы образований включают: [11]
Капельный камень — это карбонат кальция в форме сталактитов или сталагмитов.
Сталактиты — это заостренные подвески, свисающие с потолка пещеры, из которых они растут.
Соломинки для газировки — это очень тонкие, но длинные сталактиты с удлиненной цилиндрической формой, а не обычной конической формой сталактитов.
Геликтиты — это сталактиты, имеющие центральный канал с прутовидными или спиральными выступами, которые, кажется, бросают вызов гравитации.
Включают формы, известные как ленточные геликтиты, пилы, стержни, бабочки, руки, кудряшки и «скопления червей».
Люстры — это сложные ансамбли потолочных украшений.
Ленточные сталактиты, или просто «ленты», имеют соответствующую форму
Сталагмиты — это «измельченные» аналоги сталактитов, часто представляющие собой тупые насыпи.
Сталагмиты-метлы очень высокие и тонкие.
Сталагмиты-тотемы также высокие и имеют форму, похожую на своих тезок.
Сталагмиты в виде жареных яиц небольшие, обычно их ширина больше высоты.
Сталагнат образуется, когда сталактиты и сталагмиты встречаются или когда сталактиты достигают пола пещеры.
Потоки камня имеют форму пластин и встречаются на полу и стенах пещер.
Шторы или занавески представляют собой тонкие волнистые листы кальцита, свисающие вниз.
Бэкон — это драпировка с разноцветными полосами внутри простыни.
Плотины из песчаника , или гуры, возникают на ряби рек и образуют барьеры, которые могут сдерживать воду.
Каменные водопадные образования имитируют замерзшие каскады
Пещерные кристаллы
Шпат-собачий зубец — это крупные кристаллы кальцита, часто встречающиеся вблизи сезонных водоемов.
Морозник — это игольчатые наросты кальцита или арагонита.
Антодиты — это скопления кристаллов арагонита, напоминающие цветы.
Кристаллы криогенного кальцита представляют собой рыхлые зерна кальцита, обнаруженные на полу пещер и образовавшиеся в результате разделения растворенных веществ при замерзании воды.
Спелеогены (технически отличные от спелеотем) — это образования внутри пещер, которые создаются путем удаления коренной породы , а не как вторичные отложения. К ним относятся:
Пещерный попкорн , также известный как «кораллоиды» или «пещерный коралл», представляет собой небольшие, узловатые скопления кальцита.
Пещерный жемчуг образуется в результате того, что вода капает сверху, заставляя маленькие «затравочные» кристаллы переворачиваться так часто, что они образуют почти идеальные сферы из карбоната кальция.
Сопли представляют собой колонии преимущественно сероокисляющих бактерий и имеют консистенцию «соплей» или слизи.
Кальцитовые плоты — это тонкие скопления кальцита, которые появляются на поверхности пещерных водоемов.
Колокола Ада , особое образование, обнаруженное в сеноте Эль-Сапоте на Юкатане в виде затопленных колокольчатых фигур.
Лавовые трубки содержат натечные образования, состоящие из сульфатов, мирабилита или опала. Когда лава остывает, происходит выпадение осадков.
Кальтемиты
Обычное определение спелеотема исключает вторичные минеральные отложения, полученные из бетона , извести , раствора или другого известкового материала (например, известняка и доломита) вне пещерной среды или в искусственных пещерах (например, шахтах, туннелях), которые могут иметь схожие формы и очертания с спелеотемами. Такие вторичные отложения в искусственных сооружениях называются кальтемитами . Кальтемиты часто связаны с деградацией бетона или с выщелачиванием извести, раствора или другого известкового материала.
^ Уайт, У. Б. (2019). «Speleothems». Энциклопедия пещер : 1006–17. doi : 10.1016/B978-0-12-814124-3.00117-5. ISBN 9780128141243.
^ abc Уайт, Уильям (2016). «Химия и карст». Acta Carsologica . 44 (3). doi : 10.3986/ac.v44i3.1896 . ISSN 0583-6050.
^ J., Fairchild, Ian (2012). Наука о спелеотемах: от процесса к прошлым средам. Wiley-Blackwell. ISBN978-1-4051-9620-8. OCLC 813621194.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Брэдли, Рэймонд С. (2015). Палеоклиматология: реконструкция климатов четвертичного периода. Academic Press. стр. 291–318. doi :10.1016/b978-0-12-386913-5.00008-9. ISBN978-0-12-386913-5.
^ Ричардс, Дэвид А.; Дорале, Джеффри А. (2003). «Хронология урановых рядов и экологическое применение спелеотемов». Обзоры по минералогии и геохимии . 52 (1): 407–460. Bibcode : 2003RvMG...52..407R. doi : 10.2113/0520407. ISSN 1529-6466.
^ Фэрчайлд, Иэн Дж.; Смит, Клэр Л.; Бейкер, Энди; Фуллер, Лиза; Шпётль, Кристоф; Мэтти, Дэйв; Макдермотт, Фрэнк; EIMF (2006). «Модификация и сохранение сигналов окружающей среды в образованиях» (PDF) . Earth-Science Reviews . Изотопы в реконструкции окружающей среды PALaeo (ISOPAL). 75 (1–4): 105–153. Bibcode : 2006ESRv...75..105F. doi : 10.1016/j.earscirev.2005.08.003.
^ Хенди, К. Х. (1971). «Изотопная геохимия спелеотемов–I. Расчет эффектов различных режимов формирования на изотопный состав спелеотемов и их применимость в качестве палеоклиматических индикаторов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 35 (8): 801–824. Bibcode : 1971GeCoA..35..801H. doi : 10.1016/0016-7037(71)90127-X.
^ Ronay, Elli R.; Breitenbach, Sebastian FM; Oster, Jessica L. (25 марта 2019 г.). «Чувствительность записей об образовании образований в регионе индийского летнего муссона к инфильтрации в сухой сезон». Scientific Reports . 9 (1): 5091. Bibcode :2019NatSR...9.5091R. doi : 10.1038/s41598-019-41630-2 . ISSN 2045-2322. PMC 6434041 . PMID 30911101.
^ Макдональд, Джейнс; Драйсдейл, Рассел; Хилл, Дэвид (2004). «Эль-Ниньо 2002–2003 гг., зафиксированное в австралийских пещерных капельных водах: последствия для реконструкции истории осадков с использованием сталагмитов». Geophysical Research Letters . 31 (22): L22202. Bibcode :2004GeoRL..3122202M. doi : 10.1029/2004gl020859 . hdl : 1959.13/29201 . ISSN 1944-8007.
^ Вудхед, Джон; Рейсц, Роберт; Фокс, Дэвид; Драйсдейл, Рассел; Хеллстром, Джон; Маас, Роланд; Ченг, Хай; Эдвардс, Р. Лоуренс (01.05.2010). «Климатические записи обсерваторий из глубины веков? Изучение потенциала на примере пермского периода». Геология . 38 (5): 455–458. Bibcode : 2010Geo....38..455W. doi : 10.1130/G30354.1. hdl : 1959.13/931960 . ISSN 0091-7613.
^ Хилл, CA, и Форти, P, (1997). Cave Minerals of the World, (2-е издание). [Хантсвилл, Алабама: National Speleological Society Inc.] стр. 217, 225
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме Speleothems .
Виртуальная пещера: онлайн-путеводитель по образованиям
Минеральные агрегаты из карстовых пещер, образовавшиеся в капиллярно-пленочных растворах
Галерея спелеотемов из программы NPS Cave and Karst (архивировано 23 января 2013 г.)
