Травертин ( / ˈ t r æ v ər t iː n / TRAV -ər-teen ) [1] — это форма наземного известняка, отлагающегося вокруг минеральных источников , особенно горячих . Он часто имеет волокнистый или концентрический вид и существует в белых, коричневых, кремовых и ржавых разновидностях. [2] [3] Он образуется в процессе быстрого осаждения карбоната кальция , часто в устье горячего источника или в известняковой пещере. В последнем случае он может образовывать сталактиты , сталагмиты и другие образования . Он часто используется в Италии и других странах в качестве строительного материала . Похожие (но более мягкие и чрезвычайно пористые) отложения, образовавшиеся из воды комнатной температуры, известны как туф .
Травертин — осадочная порода, образованная химическим осаждением минералов карбоната кальция из пресной воды, [ 4] как правило, в источниках, реках и озерах; [5] [6] то есть из поверхностных и грунтовых 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 сталактиты и сталагмиты . [9] [5] [7] [10] [8] [4] Калькрит , представляющий собой кальциевые минералы, отложившиеся в виде горизонта в профиле почвы , не считается формой травертина. [7] [11]
Травертин часто определяется в более узком смысле как плотная горная порода, иногда массивная, но чаще полосчатая или с волокнистой внутренней структурой, отложенная в горячих источниках. [5] [7] [4] [6] В этом более узком смысле травертин отличается от спелеотемов [12] и туфа . [5] [13] [6] Травертин иногда определяется по способу его происхождения, как горная порода, образованная неорганическим осаждением минералов карбоната кальция на поверхность после обмена углекислым газом между атмосферой и грунтовыми водами. Калькрит, озерные мергели и озерные рифы исключены из этого определения, но включены как спелеотемы, так и туф . [14]
Свежие травертины сильно различаются по своей пористости , от примерно 10% до 70%. Древние могут иметь пористость всего лишь 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 холодных источников, в то время как травертины горячих источников имеют среднюю пористость около 26%. Спелеотемы имеют низкую пористость менее 15%. [15]
Травертин образует характерные формы рельефа:
Слово «травертин» происходит от итальянского travertino , производного от латинского tiburtinus , что означает «из Тибура», 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 , то есть по мере того, как концентрация растворенного бикарбоната кальция растет, 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 перемещаются в среду с более низкой концентрацией углекислого газа (измеряемой его парциальным давлением , pCO2 ) , часть углекислого газа будет выходить в окружающую среду, нарушая равновесие и позволяя происходить чистому осаждению 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 носителем CO 2 или просто носителем . [25]
Наиболее важными источниками повышенной концентрации углекислого газа в грунтовых водах являются почва и вулканическая активность. Вода, проходящая через почву, забирает углекислый газ из корней растений и разлагающихся органических веществ . [26] Этот CO 2 описывается как метеорный носитель, а травертин, образованный этим механизмом, как метеогенный травертин . [25] Это основной механизм образования спелеотем. Грунтовые воды с повышенной концентрацией CO 2, поглощенные из почвы, просачиваются в лежащий под ними известняк, растворяя часть известняка. Когда эти грунтовые воды затем выходят в пещеру с более низкой концентрацией CO 2 , часть CO 2 улетучивается, позволяя карбонату кальция осаждаться и образовывать сталактиты, сталагмиты и другие спелеотемы. [27] [28]
Вулканическая активность является источником углекислого газа в грунтовых водах, которые выходят из горячих источников. Когда вода достигает устья источника, она быстро теряет углекислый газ в открытом воздухе и осаждает карбонат кальция вокруг устья источника. Образованный таким образом травертин описывается как термогенный травертин . [25] Это может образовывать впечатляющие отложения травертина, такие как отложения Памуккале или Мамонтовых горячих источников. Углекислый газ может поступать из источников глубоко в Земле, [29] [30] таких как метаморфизм глубоко залегающих пород. Углекислый газ переносится на поверхность магмой и является основным компонентом вулканических газов . [31] [32] Углекислый газ также может образовываться при нагревании магматическими телами твердых пород вблизи поверхности, посредством термического разложения органического вещества или в результате реакций кварца или других кремниевых минералов с карбонатными минералами . [33]
Количество осадков может быть увеличено за счет факторов, приводящих к снижению pCO2 , например, важным может быть усиление взаимодействия воздуха и воды в водопадах [34] , а также фотосинтез. [35]
В редких случаях травертин может образовываться из сильнощелочной воды , содержащей растворенный гидроксид кальция ( Ca+2+ 2OH − ) образуется в процессе серпентинизации ультраосновных пород. Когда эта щелочная вода достигает поверхности, она поглощает углекислый газ из воздуха, осаждая карбонат кальция: [ 25]
Хотя вода, карбонизированная вулканической активностью, обычно ассоциируется с горячими источниками, такая вода иногда охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, прежде чем выйти на поверхность. Аналогично, вода, карбонизированная прохождением через почву, иногда циркулирует на достаточной глубине, так что она довольно теплая, когда она снова выходит на поверхность. Вода, карбонизированная вулканической активностью, тем не менее, будет иметь тенденцию к более высокому содержанию 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 с горячими источниками; арагонит преимущественно осаждается при высоких температурах, в то время как кальцит преобладает при более низких температурах. [37] [38] Чистый и мелкозернистый травертин имеет белый цвет, но часто из-за примесей он имеет цвет от коричневого до желтого.
Травертин встречается в сотнях мест по всему миру. [39] Здесь перечислены лишь некоторые из наиболее заметных случаев.
Травертин найден в Тиволи, в 25 километрах (16 миль) к востоку от Рима, где травертин добывается по меньшей мере 2000 лет. [40] Травертин Тиволи отложился в теле площадью 20 квадратных километров (7,7 квадратных миль) и толщиной 60 метров (200 футов) вдоль простирающегося на север разлома около спящего вулкана Колли Альбани . Карьер Гвидония расположен в этом месторождении травертина. [41] Древнее название этого камня было lapis tiburtinus , что означает камень тибур , который постепенно испортился до travertino (травертин). Подробные исследования месторождений травертина Тиволи и Гвидонии выявили суточную и годовую ритмичную полосчатость и пластинки, которые имеют потенциальное применение в геохронологии . [42] Месторождения травертина обнаружены примерно в 100 других местах в Италии, включая Рапалино около Пизы .
Каскады природных озер, образованных за травертиновыми плотинами, можно увидеть в Памуккале , Турция, который является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО . Другие места с такими каскадами включают Хуанлун в провинции Сычуань в Китае (еще один объект Всемирного наследия ЮНЕСКО), Мамонтовы горячие источники в США, Эгерсалок в Венгрии, Махаллат , Аббас Абад, Аташ Кух и Бадаб-е Сурт в Иране , Банд-и-Амир в Афганистане , Лагунас-де-Руйдера , Испания, Йерве-эль-Агуа , Оахака, Мексика и Семук Чампей , Гватемала .
В последний постледниковый палеоклиматический оптимум Центральной Европы ( Атлантический период , 8000–5000 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 , в основном в долинах на переднем северо-западном хребте куэсты ; [ 44] [45] во многих долинах эродированной периферии карстовой Франконской Юры ; и в северных предгорьях Альп . [46] [47]
Водотоки Динарского карста , особенно в Боснии и Герцеговине и Хорватии, известны накоплением богатых травертиновых отложений и связанных с ними явлений, таких как пещеры из туфа и травертина, речные островки, барьеры и водопады. [48] [49] В Боснии и Герцеговине река Уна особенно богата отложениями, [50] а также Плива , Требижат , Буна , Брегава . [48] Травертин образовал 16 естественных плотин в долине в Хорватии, известной как Национальный парк Плитвицкие озера . Цепляясь за мох и камни в воде, травертин нарастал в течение нескольких тысячелетий, образуя водопады высотой до 70 м (230 футов). [51] [49] Также в Хорватии Крка , Зрманья с притоком Крупа и Купа в Хорватии и Словении, и Крка в Словении.
В Соединенных Штатах наиболее известным местом образования травертина является Йеллоустонский национальный парк , где геотермальные зоны богаты залежами травертина. [52] Вайоминг также имеет травертины в государственном парке Хот-Спрингс в Термополисе . [53] В Оклахоме есть два парка, посвященных этому природному чуду. Тернер-Фолс , самый высокий водопад в Оклахоме, представляет собой каскад родниковой воды высотой 77 футов (23 м), текущей по травертиновой пещере. Хани-Крик питает этот водопад и создает мили травертиновых полок как вверх, так и вниз по течению. Множество небольших водопадов вверх по течению в густых лесах повторяют эффект образования травертина. [54] Еще один ресурс травертина находится в Салфере, Оклахома , в 10 милях (16 км) к востоку от Тернер-Фолс. Травертин-Крик протекает через природный заповедник родниковой воды в пределах национальной зоны отдыха Чикасо . [55]
Остин, Техас , и окружающая его «Холмовая местность» на юге построены на известняке. В этом районе много травертиновых образований, таких как те, что найдены в водопаде Горман в государственном парке Колорадо Бенд . [56] Висячее озеро в каньоне Гленвуд в Колорадо было образовано травертиновыми плотинами через питаемый родником ручей. [57] Травертиновые пласты в этом районе достигают толщины 40 футов (12 м). [58] В государственном парке Рифл-Фолс в Колорадо есть тройной водопад над травертиновой плотиной. [59] [60]
Система горячих источников Сода-Дэм в горах Джемес в Нью-Мексико интенсивно исследовалась из-за ее связи с геотермальной системой кальдеры Валлес . Горячие грунтовые воды из кальдеры двигались вдоль разлома Джемес и смешивались 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. [61] Новый вид экстремофильных зеленых водорослей Scenedesmus был впервые выделен из травертина Сода-Дэм. [62]
В Исландии река Хванна, расположенная на северном склоне вулкана Эйяфьятлайокудль , была сильно загрязнена CO2 после извержений 2010 года . Травертин выпадал вдоль реки. [63]
Травертин часто используется в качестве строительного материала . Обычно он не имеет слабых мест, а его высокая пористость делает его легким по весу при его прочности, дает ему хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства и делает его относительно простым в обработке. Плотный травертин становится превосходным декоративным камнем после полировки. [64]
Римляне добывали залежи травертина для строительства храмов, памятников, [65] акведуков, [66] банных комплексов, [67] и амфитеатров, таких как Колизей , [68] крупнейшее здание в мире, построенное в основном из травертина. [69] В Италии известные травертиновые карьеры существуют в Тиволи и Гвидония-Монтечелио, где находятся самые важные карьеры со времен Древнего Рима. [70] Карьеры Тиволи поставляли травертин, из которого Джан Лоренцо Бернини выбрал материал для строительства колоннады площади Святого Петра в Риме ( colonnato di Piazza S. Pietro ) в 1656–1667 годах. [71] Микеланджело также выбрал травертин в качестве материала для внешних ребер купола собора Святого Петра . [72] Травертин из Тиволи использовался при создании большей части фонтана Треви в Риме в эпоху барокко . [73]
Травертин вновь обрел популярность как строительный материал в Средние века. [74] В центральногерманском городе Бад-Лангензальца сохранился средневековый старый город, построенный почти полностью из местного травертина. [ требуется ссылка ] Среди зданий двадцатого века, широко использовавших травертин, можно назвать базилику Сакре-Кёр в Париже , Центр Гетти в Лос-Анджелесе , Калифорния, и Shell-Haus в Берлине . Травертин, используемый в конструкциях Центра Гетти и Shell-Haus, был импортирован из Тиволи и Гвидонии. [75]
Травертин — один из нескольких натуральных камней, используемых для мощения патио и садовых дорожек. [76] Иногда его называют травертиновым известняком или травертиновым мрамором; это один и тот же камень, хотя травертин правильно классифицируется как тип известняка, а не мрамора . Камень характеризуется ямчатыми отверстиями и впадинами на своей поверхности. Хотя эти впадины встречаются в природе, они указывают на признаки значительного износа с течением времени. Его можно полировать до гладкой, блестящей поверхности, и он поставляется в различных цветах от серого до кораллово-красного. Травертин доступен в размерах плитки для напольной установки. [77] [78]
Травертин — один из наиболее часто используемых камней в современной архитектуре . Он обычно используется для напольных покрытий в домах и офисах, напольных покрытий на открытом воздухе, стен и потолков в спа-салонах, фасадов и облицовки стен . Стены вестибюля модернистской башни Уиллис-тауэр (1970) (ранее башня Сирс) в Чикаго сделаны из травертина. [79] Архитектор Уэлтон Беккет часто включал травертин во многие свои проекты. [80] Медицинский центр Рональда Рейгана Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе облицован более чем 3 миллионами фунтов (около 1360 тонн) травертина Ambra Light из карьеров Тиволи. [81] Архитектор Людвиг Мис ван дер Роэ использовал травертин в нескольких своих крупных работах, включая Toronto-Dominion Centre , [82] SR Crown Hall , [83] Farnsworth House [84] и Barcelona Pavilion . [85] Ротонда Капитолия штата Нью-Мексико отделана травертином [86], добытым на месторождении к западу от Белена, Нью-Мексико . Камень из этого карьера также используется в зданиях Университета Нью-Мексико . [87] [88]
До 1980-х годов Италия имела почти монополию на мировом рынке травертина; теперь значительные поставки 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. [89]