Выращивание ледяных сталагмитов

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №3»

Исследовательский проект

ВЫРАЩИВАНИЕ ЛЕДЯНЫХ СТАЛАГМИТОВ

2019 год

Содержание.

стр.

Введение…………………………………………………………………………..3

Образование сталагмитов ………………………..……………………………...4

1. Основные сведения о сталагмитах………………………………………..4
2. Наблюдение за ростом сталагмитов………….……….…………………..9
3. Анализ результатов наблюдений……………...…………………………13

Заключение……………………………………………………………………….14

Литература……………………………………………………………………….15

Введение.

В этом учебном году мне предстоит защита проекта Это ещё неизвестная для меня работа. Но мне всегда интересно узнавать что-то новое.

Для успешной работы над проектом мне необходимо пройти и освоить все этапы учебной исследовательской деятельности. Сначала нужно определить направление, тематику предстоящего исследования. Меня заинтересовали ледяные сталагмиты – сосульки наоборот, которые возникают в самых неожиданных местах. Захотелось попробовать самому получить эти необычные образования.

Целью моей работы является выращивание ледяных сталагмитов в домашних условиях с помощью морозильной камеры.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

• изучить условия возникновения сталагмитов с использованием различных источников информации;
• провести опыты самостоятельного выращивания сталагмитов;
• проанализировать особенности искусственного образования сталагмитов.

Образование сталагмитов

1.Основные сведения о сталагмитах

Сталагмиты (от др.-греч. — капля) — натёчные минеральные образования (большей частью известковые, реже гипсовые, соляные), растущие в виде конусов, столбов со дна пещер и других подземных карстовых полостей навстречу сталактитам и нередко сливающиеся с ними, образуя сталагнат [1]. Сталактиты (греч. — «натёкший по капле») — хемогенные отложения в карстовых пещерах в виде образований, свешивающихся с потолка (сосульки, соломинки, гребёнки, бахромы и т. п.). Термины «сталактит» и «сталагмит» введены в литературу в 1655 г. датским натуралистом Оле Вормом [2].

Таким образом, сталагмиты составляют вторую большую группу натечных образований. Падающие с потолка капли выдалбливают в отложениях пола пещер небольшую (до 0,15 м) ямку конической формы. Эта ямка постепенно заполняется кальцитом, образующим своеобразный корень, и начинается рост сталагмита вверх. Сталагмиты обычно имеют небольшие размеры. Лишь в отдельных случаях они достигают высоты 6–8 м при диаметре нижней части 1–2 м. Самый крупный в мире сталагмит высотой 67,2 м найден в пещере Мартин (Куба). Второе место занимает сталагмит в Красногорской пещере (Чехословакия), высота его 32,7 м. На участках, где они соединяются со сталактитами, возникают кальцитовые колонны, или сталагнаты, самой разнообразной формы. Особенно красивы узорчатые или витые колонны.

В зависимости от формы сталагмиты имеют множество названий. Выделяются конические сталагмиты, пагодообразные, пальмовые, сталагмиты-палки, кораллиты (сталагмиты древовидной формы, имеющие вид коралловых кустов) и др. Форма сталагмитов определяется условиями их образования и прежде всего степенью обводнённости пещеры. Весьма оригинальны сталагмиты, имеющие вид каменных лилий в гроте Иверия Анакопийской пещеры. Высота их достигает 0,3 м. Верхние края таких сталагмитов раскрыты, что связано с разбрызгиванием водяных капель, падающих с большой высоты, и аккумуляцией карбоната кальция по стенкам образовавшейся ямки. Интересны сталагмиты с оторочками, напоминающие подсвечники (грот Тбилиси Анакопийской пещеры). Оторочки образуются вокруг периодически затопляемых сталагмитов. Встречаются эксцентричные сталагмиты. Искривление их нередко вызывается медленным движением осыпи, на которой они формируются. Основание сталагмита в этом случае постепенно перемещается вниз, а падающие на одно и то же место капли искривляют сталагмит в направлении вершины осыпи. Такие сталагмиты наблюдаются также в Анакопийской пещере.

Для сталагмитов характерно слоистое строение. В поперечном разрезе чередуются концентрически расположенные белые и темные слои, толщина которых изменяется от 0,02 до 0,07 мм. Толщина слоя по окружности неодинакова, так как падающая на сталагмит вода растекается по его поверхности неравномерно. Иногда сталагмиты в разрезе очень красивы. Исследования показали, что нарастающие сталагмитовые слои представляют собой полугодичный продукт, причем белые слои отвечают зимнему периоду, а темные – летнему, поскольку теплые летние воды отличаются повышенным содержанием по сравнению с водами зимнего периода гидроокисей металлов и органических соединений. Белые слои характеризуются кристаллической структурой и перпендикулярным расположением зерен кальцита к поверхности слоев. Темные же слои аморфны.

Строгое чередование в поперечном разрезе белых и темных слоев используется для определения абсолютного возраста сталагмитов, а также подземных полостей, в которых они формируются. Подсчеты дают интересные результаты. Так, возраст сталагмита из Кизеловской пещеры (Средний Урал), достигающего в поперечнике 68 см, был определен в 2500 лет. Возраст сталагмитов некоторых зарубежных пещер, определенный по полугодовым кольцам, составил 600 тыс. лет. В Деменовских пещерах в Чехословакии сталагмит в 1 мм образуется за 10 лет, а в 10 мм – за 500 лет.)

В продольном разрезе сталагмит состоит как бы из множества тонких колпачков, надетых друг на друга. В центральной части сталагмита горизонтальные кальцитовые слои резко падают вниз, по направлению к его краям.

Скорость роста сталагмитов весьма различна. Она зависит от влажности воздуха в пещере, особенностей его циркуляции, величины притока раствора, степени его концентрации и температурного режима. Как показали наблюдения, скорость роста сталагмитов изменяется от десятых долей до нескольких миллиметров в год [3].

Образование ледяных сталагмитов имеет свои особенности. Например, в Тавдинских пещерах на Алтае впервые в ноябре 2016 года было обнаружено уникальное природное явление - ледяные сталагмиты.  Ледяной сталагмит или ледяной шип является образованием льда, часто в форме перевернутой сосульки, что выступает вверх от поверхности замерзшей воды. Ледяные пики, создаваемые естественными процессами на поверхности малых ёмкостей замерзшей воды, были зарегистрированы в течение многих десятилетий, хотя их появление отмечается довольно редко. Механизм их образования, в настоящее время известен как модель Бейли - Дорси. Данная модель была предложена в начале 20-го века, но не испытана в лаборатории в течение многих лет.

В последние годы фотографии природных ледяных сталагмитов все больше появляются в интернете, а также способы их получения искусственным путем через замораживание дистиллированной воды в бытовых холодильниках или морозильниках. Это позволило ученым проверить гипотезу образования ледяных сталагмитов в лабораторных условиях.  Эксперименты, по всей видимости, подтверждают справедливость модели Бейли -  Дорси.  Были подняты дополнительные вопросы о том, как естественным путем возникают сталагмиты в подобных формах. Ледяные сталагмиты в некоторых случаях могут перерасти в другие ледяные объекты: ледяные свечи, ледяные башни или ледяные вазы, так как не существует стандартной формы их образования.

В Тавдинских пещерах ледяные сталагмиты образовались за счёт резких перепадов температур, чего раньше не наблюдалось. Сталагмиты впервые были обнаружены во время ноябрьских экскурсий в Тавдинские пещеры.  В основном они образуются в виде сосульки "верх ногами". Но нередко встречаются и в других формах: ромбов, треугольников. Подобные уникальные образования сохранятся до середины весны, а далее растают в связи с потеплением. При экскурсии в Тавдинские пещеры их можно потрогать, с ними сфотографироваться, но запрещается ломать и портить. Во время экскурсий туристам очень нравятся подобные уникальные природные явления [4].

Меня заинтересовал ледяной сталагмит, который образовался на сугробе около гаража моего папы в начале марта 2019 года (рис.1). Температура воздуха несколько дней держалась около 0оС. Снег на крыше гаража подтаивал, и вода каплями стекала по жёлобу на сугроб. Сталагмит высотой около 40 см вырос примерно за неделю. Я думаю, что такой быстрый рост сталагмита обусловлен небольшой разностью температур воды и снега. Температура воды была чуть выше 0оС, следовательно, капли быстро застывали, падая на снег, температура, которого была чуть ниже 0оС. Ночью температура понижалась, и структура сталагмита укреплялась. А днём снова продолжалось быстрое наращивание сталагмита. Слева хорошо видны уступы, которые образовались в ходе цикличности его роста.

Рис. 1 Сталагмит на сугробе

Поэтому, мне захотелось самому вырастить ледяные сталагмиты.

2.  Наблюдение за ростом сталагмитов

Выращивание сталагмитов – процесс небыстрый. Поэтому я решил провести свои опыты в течении летних каникул. Летом можно вырастить сталагмиты дома в морозильной камере, температура в которой достигает -18оС. В качестве основания для будущих сталагмитов я заморозил воду форме для льда (рис. 2).    

Рис. 2 Основание для наращивания сталагмитов

Для наращивания сталагмитов необходимо добавлять воду локально небольшими порциями. Я решил, что для этого понадобится пипетка. Также желательно, чтобы вода, капающая на лёд имела температуру наиболее близкую к 0 оС. В этом случае растущие сталагмиты не будут подтаивать из-за попадания тёплой воды.  Минимально низкую температуру воды около +10оС летом можно получить в холодильнике. Таким образом, банку с водой для наращивания сталагмитов я предварительно поставил в холодильник.

В ходе опытов я по капле добавлял холодную воду в центр ячейки с замороженной водой, формируя вершину сталагмита (рис. 3).  Это довольно кропотливая работа, так как необходимо после каждой процедуры ставить форму со сталагмитами в морозильник для наращивания высоты, а после замораживания снова доставать форму и капать.

Рис. 3 Формирование сталагмита

Тем не менее, начав опыт 26 мая 2019 года, к 3 июня я заметил изменения. В центрах ячеек формируются вершины сталагмитов (рис. 4).

Рис. 4 Появились вершины сталагмитов

К 8 июня сталагмиты уже сформировались (рис. 5).

Рис. 5 Первые сталагмиты

16 и 23 июня рост сталагмитов продолжается (рис. 6).

Рис. 6 Рост сталагмитов продолжается

С ростом высоты сталагмитов увеличивается и толщина основания, заметно выросла масса льда.

1 июля опыт завершён. Я провожу замер высоты сталагмитов (рис. 7). За пять недель сталагмиты выросли на 25 мм. Теперь я понимаю, как медленно идёт этот процесс.

Рис.  7 Измерение высоты сталагмитов

Следующий опыт я решаю провести, выращивая одиночный сталагмит в мерной формочке для лекарства (рис. 3). Вопреки моим ожиданиям, с 4 июля до 25 августа сталагмит достигает высоты всего 12 мм (рис. 8).

Рис. 8 Одиночный сталагмит

То же происходит ещё раз. С 28 августа по 13 октября сталагмит вырастает снова только на 12 мм (рис. 9), а затем его рост неожиданно начинает уменьшаться.

Рис. 9 Третий опыт

После этого я решил закончить проведение опытов по выращиванию сталагмитов.

3. Анализ результатов наблюдений

Таким образом, мои опыты по выращиванию ледяных сталагмитов продолжались почти пять месяцев. Должен заметить, что работа эта очень кропотливая. Действительно, сталагмиты растут очень медленно. Требуется соблюдение определённых правил выращивания и аккуратности при проведении опытов.

Форма сталагмитов в опытах отличалась. Например, сравним сталагмиты на рисунках 8 и 9. Объясняется это различием при стекании воды при формировании сталагмита. Я убедился, что не существует стандартной формы их образования.

Также я обратил внимание, что выращенные во всех трёх опытах сталагмиты, были непрозрачными, а молочно-белыми. Этот факт можно объяснить условиями наращивания сталагмитов. Замораживание воды происходило очень быстро в морозильной камере при температуре -18оС, следовательно, растворённые в воде газы и соли не были удалены. Для опытов я использовал жёсткую воду (в нашу квартиру вода поступает из артезианской скважины), которую предварительно кипятил. Но кипячение полностью не устраняет жёсткость воды.

Наиболее быстрый рост сталагмитов наблюдался в течение первого месяца. В следующий месяц рост замедлялся, а затем происходило его уменьшение. Эти факты можно объяснить следующим образом: по мере роста сталагмитов увеличивается и площадь их поверхности, а объём добавляемой воды не увеличивается.  Следовательно, капля распределяется по большей площади, и прирост сталагмитов в высоту замедляется.

При этом у сталагмитов в большой форме значительно увеличилась масса и площадь их оснований, так как размер формы позволял расти сталагмитам вширь. Но к концу месяца основания сталагмитов всё более сливались, вершины сближались друг с другом, а на краях формы появились уже другие образования – сталактиты (рис. 7). Следовательно, прирост сталагмитов в высоту в дальнейшем замедлится. Опыт был прекращён.

А вот прирост сталагмитов в маленькой форме шёл медленнее, так как вода стекала по краям формы на стол (рис. 3). После достижения высоты 12 мм рост сталагмитов начал уменьшаться, так как скорость испарения льда превысила скорость наращивания сталагмита.

Заключение

Итак, в ходе своей работы я узнал много нового о сталагмитах, условиях и особенностях их образования.

А также освоил навыки проведения учебного исследования.

Мне очень понравилось проводить собственные опыты, анализировать результаты и делать выводы.

В будущем я планирую продолжить исследовательскую деятельность.

Литература.

1. Википедия – свободная энциклопедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сталагмит - Википедия (дата обращения 29.09.2019).
2. Википедия – свободная энциклопедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сталактит -  Википедия (дата обращения 29.09.2019).
3. LibTime — проект для активных пользователей интернета: https://libtime.ru/speleologiya/stalagmity.html (дата обращения 06.10.2019).
4. Сайт ООО «Перекрёсток миров»: http://altay-pm.ru/glavnaya-stranitsa/ledyanye-stalagmity-unikalnye-ekskursii-v-tavdinskie-peshchery (дата обращения 06.10.2019).