CC BY
33ФУЛЬГУРИТЫ - ФЕНОМЕН
ТУКУЛАНОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ
и
Н
Алексей Александрович Галанин,
доктор географических наук, главный научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (ИМЗ СО РАН), профессор геологоразведочного факультета СВФУ
Василий Александрович Шишков,
кандидат биологических наук,
научный сотрудник Института географии РАН
Ирина Витальевна Климова,
минералог, ведущий инженер ИМЗ СО РАН
А. А. Галанин, В. А. Шишков, И. В. Климова, Б. А. Павлов, Г. И. Шапошников
Молния управляет всеми вещами, намекая на управляющую силу огня.
Гзраклит Эфесский (V в. до н. э.)
В нашем журнале, основываясь на результатах палеогеокриологичес-ких исследований и радиоуглеродного датирования, уже освещались некоторые черты истории формирования тукуланов - удивительных феноменов Центральной Якутии [1].
Тукуланы в Якутии формируются как в пределах речных долин, так и на водораздельных пространствах путём эоловой переработки (перевеивания и полировки) самых различных исходных отложений. В долинах рек это преимущественно четвертичные русловые и пойменные отложения или ледниковые валунно-сугли-нистые морены, на водораздельных простанствах - рыхлые коры выветривания более древних образований дочетвертичного возраста, в том числе мезоойские песчаники и конгломераты. Мелкие частицы с поверхности горных пород сдуваются с большой лёгкостью и перемещаются на большое расстояние. Более крупный материал (супесь и песок) движется медленно. Под давлением порывов ветра крупные песчинки
Борис Алексеевич Павлов,
почвовед, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Почвенного института им. В. В. Докучаева РАН
перемещаются путём сальтации -небольших прыжков на 20 - 30 см. Прыгающие песчинки организуются в дюны различного порядка, медленно ползущие в направлении господствующих ветров. Самые крупные и тяжёлые частицы (зёрна тяжёлых минералов, гравий, щебень, галька, валуны, кости животных) накапливаются на поверхности в так называемых котловинах выдувания и именуются ветровым элювием (рис. 1).
В котловинах выдувания часто обнаруживаются самые различные предметы современной цивилизации -охотничьи пули, гвозди, гайки, осколки стекла. Иногда рядом с ними лежат свидетельства совершенно иного мира - каменные нуклеусы, отщепы, обсидиановые ножевидные пластинки, наконечники стрел (рис. 1, б).
Загадочные песчаные трубки
В июне 2014 г уже достаточно хорошо изученный нами Кысыл-Сырский тукулан преподнёс несколько очередных сюрпризов. Одним из них является обнаружение
Григорий Иванович Шапошников,
физик, инженер-исследователь ИМЗ СО РАН
Рис. 1. Типы ветрового элювия на поверхности котловин выдувания тукуланов Центральной Якутии.
а - мелкий отполированный ветром гравий на поверхности котловины выдувания; б - кремниевый наконечник стрелы поздненеолитического типа; в - ветрогранник по экзотической гальке (агат); г - старый двигатель и его мелкие запчасти; д - кварцевые фульгуриты; е - сцементированные гидроокислами железа почвенные
трубки - ортштейны
многочисленных скоплений фульгуритов1 - уникальных природных минералов, возникающих при ударе молний в грунт (рис. 2). Эти необычнные минералы формируются при температурах, достигающих несколько тысяч градусов по Цельсию. Их находки весьма редки, поэтому многие геологи, включая нас, их никогда не видели и почти ничего о них не слышали.
Ветвистые трубки, блестящие внутри и инкрустированные песком снаружи, длиной в несколько сантиметров, мы встречали и ранее во время первой рекогносцировочной экспедиции на Кысыл-Сырский тукулан в 2011 г Мы полагали, что это остатки панцырей каких-то личинок, вроде ручейников. Их происхождение мы связывали с дефляцией2 исходных озёрно-болотных отложений и палеопочв. Трубки варьировали по цвету (ржаво-охристые, белые, изредка - иссиня-чёрные).
В 2014 г. в одной из котловин выдувания Кысыл-Сырского тукулана нами были найдены более крупные обломки оплавленного прозрачного пузырчатого кварца диаметром до 2 см (см. рис. 2). Вместе с крупными обломками обнаружено множество более мелких трубок длинной 3 - 5 см и диаметром 0,5 - 0,8 мм. Внутренняя поверхность трубок была гладкой и блестящей, нередко с мелкими, заключёнными в стеклянный расплав пузырьками. Внешняя поверхность трубок была инкрустирована песчинками и на ощупь напоминала наждак. Нами были встречены как простые трубки, так и сложные разветвленные структуры с боковыми отростками, напоминающие окаменевшие маленькие ёлочки.
Фульгуриты - молниевые минералы3
Все участники коллектива были вдохновлены находкой, особенно после того, как кто-то поделился соображениями об особой магической силе данных минера-лов4, поэтому было решено обследовать поверхность тукулана на предмет обнаружения новых скоплений фульгуритов.
Мы вооружились GPS и, двигаясь цепью, пытались вести систематичные поиски и фиксировать обнаруживаемые скопления фульгуритов на карте. В результате нами было установлено более 20 компактных местоположений округлой формы диаметром до 2 - 4 м (рис. 3, а), в пределах которых находилось до нескольких десятков стеклянных трубок и их фрагментов. Не было сомнения, что каждое из местоположений соответствует, как ми-
нимум, одному удару молнии. Поскольку трубки были не только разбросаны на поверхности тукулана, но кое-где торчали из песка, уходя вглубь на неопределённую глубину под разными углами. К сожалению, крупные трубчатые дендриты, при попытке выкопать их, из-за хрупкости распадались на фрагменты. Было обнаружено несколько горизонтально залегающих образований почти полуметровой длины, но они также распались на отдельные сегменты. В целом стало ясно, что фульгуриты образуются в сухом песке и первоначально имеют дендритовидные формы, напоминающие ветви растений (рис. 3, б). Эти дендриты, очевидно, возникают при ветвлении молнии в песке.
Максимальное количество наиболее крупных белых фульгуритов было установлено в северо-восточной части тукулана. В некоторых наиболее пониженных котловинах выдувания в западной части тукулана было обнаружено много трубок, сильно напоминающих белые фульгуриты, но они были охристого и даже сине-чёрного цвета. В процессе GPS-картографирования в распределении белых, охристых и чёрных трубок в пределах Кысыл-Сырского тукулана стали обнаруживаться некоторые закономерности. Так, охристые и чёрные трубки никогда не попадались вместе с белыми. Они также не группировались в компактные круги или линейные зоны, а просто были более-менее равномерно рассеяны по поверхности некоторых пологих котловин выдувания.
Кроме того, в днищах этих котловин иногда наблюдалось интенсивное приповерхностное ожелезнение песчаного грунта до глубины 0,3 - 0,5 м, прослои и линзы красноватых суглинков. Здесь же вместе с трубками попадались железистые стяжения самой причудливой формы, напоминающие капли, пластинки, гантели, пустотелые бочонки. Их размеры не превышали 1 - 2 см. Среди всех находок наиболее причудливую форму имели органо-минеральные останцы высотой до 20 - 30 см, названные нами «дефляционные грибы». Шляпки этих «грибов» были сложены синевато-чёрным оглеенным сапропелем, а ножки - уплотнённой охристой супесью.
Окончательный генезис загадочных трубок удалось установить только после комплекса лабораторных анализов с использованием оптического поляризационного, а также электронного сканирующего микроскопов со встроенным модулем для микрозондового анализа элементного состава. Кроме того, для определения микроэлементного
1 Фульгурит (от лат. Ш1диг - удар молнии + греч. еТ6о<; - подобный) - минерал, возникающий при ударе молний в грунт. Петрофуль-гуриты формируются путем расплавления скальных пород, а кластофульгуриты - рыхлых. В последнее время обнаружены фи-тофульгуриты, формирующиеся при ударе молний в органические материалы и состоящие из специфически структурированного углерода.
2 Дефляция - выдувание ветром тонкодисперсного грунта. В ходе интенсивной дефляции формируются котловины выдувания. Дефляция не может протекать глубже определённого уровня, именуемого базисом дефляции. В песчаных пустынях за пределами криолитозоны базис дефляции совпадает с максимальным уровнем стояния капиллярных грунтовых вод.
3 Фульгуриты представляют собой сплавы того или иного минерального материала в местах разряда грозовых молний (класто-или петрофульгуриты). Они имеют трубчатые, корневидные и каплевидные формы самых различных размеров. Их называют «автографами молний», «чертовыми пальцами», образующимися обычно в рыхлых, реже - в плотных горных породах [2]. Недавно установлено, что при разряде молний в органический материал образуются твердые углеводороды - фитофульгуриты. [3]. В их составе присутствует много аминокислот и других высокомолекулярных органических соединений.
4 Фульгуриты известны с глубокой древности. Их обнаруживали в пустынях Ближнего Востока жители Древнего Египта, Шумера и Месопотамии. Фульгуриты наделялись магической силой, являлись талисманами, лекарственными амулетами и оберегами, поскольку предполагалось, что они заключают в себе энергию молнии.
Н11(1111||111|||||||||||ш!|!^ 8 9 10 11 12 13
Рис. 2. Фульгуриты и ортштейны тукуланов Центральной Якутии на поверхности котловины выдувания Кысыл-Сырского тукулана в бассейне нижнего течения р. Вилюй.
а - крупнозернистый белый фульгурит; б - наиболее крупный белый фульгурит; в - тонкозернистая белая фульгуритовая трубка длинной около 0,5 м в естественном залегании; г - чёрные железо-марганцевые ортштейны; д - крупнозернистые охристые ортштейны
г
I
» ■ г ••
Мл
Рис. 3. Фульгуриты Кысыл-Сырского тукулана.
а - компактные скопления фульгуритов в котловинах выдувания, б -реконструкция фульгуритового дендрита, выполненная студентом СВФУ
А. А. Аммосовым
состава фульгуритов и вмещающих песков был выполнен спектральный атомно-эмиссионный анализ.
Исследование фульгуритов с использованием оптического микроскопа
Основным компонентом эоловых песков Кысыл-Сырского тукулана является кварц (до 90% и более), реже - полевые шпаты (рис. 4, а, б). В небольшом количестве (менее 10%) присутствуют полевые шпаты, обломки песчаников (рис. 4, е). Среди вторичных новообразованных минералов распространены органические включения, гидроокислы железа и марганца (рис. 4, д), хлорит, глинистые минералы.
Иногда попадаются экзотические минералы тяжёлой фракции (гранат, ильменит, рутил) и окатанные зерна некоторых осадочных и метаморфических горных пород, хорошо устойчивых в гипергенных условиях. В основном это породы с высоким содержанием кремнезема - яшмы, халцедоны, опалы, ониксы (рис. 4, в).
Фульгуриты следует относить к аутигенным5 минеральным образованиям, формирующимся преимущественно в сухих дюнных песках, поэтому нахождение данных стёкол в более древних супесчаных отложениях Якутии является косвенным свидетельством их эолового происхождения.
Оказалось, что не все собранные нами песчаные трубки являются фульгуритами. «Настоящими» фульгуритами являются только белые трубки с блестящей стекловатой внутренней поверхностью. Другие трубчатые образования -охристого и чёрного цвета - являются внутрипочвенными конкрециями - педотубулами6. Они имеют совершенно иной химический состав, не содержат фульгурито-вых стёкол либо иных признаков оплавления.
Под поляризационным микроскопом с использованием иммерсионных жидкостей было установлено, что стёкла настоящих (белых и светло-серых) фульгуритов имеют специфические признаки, кардинально отличающие их от других стёкол природного происхождения, встречающихся в продуктах извержений вулканов - базальтов, риолитов, дацитов и других вулканических пород.
Фульгуриты образованы оплавленными обломками исходного кварцевого песка, плотно сваренных белым прозрачным кварцевым стеклом с коэффициентом преломления <1,5, что характерно для наиболее химически чистых кварцевых стекол. Фульгуритовые стёкла характеризуются исключительно свежим обликом, отсутствием структур эпигенетической перекристаллизации, свойственных вулканическим породам. Все эти дополнительные признаки были установлены при изучении фульгуритов под сканирующим микроскопом.
5 Аутигенными называются минеральные образования, возникающие в осадочных породах уже после их отложения в результате различных геохимических процессов.
6 Педотубулы - ожелезнённые трубки оранжевого и красновато-бурого цвета, формирующиеся в определённых типах почв и геохимических условиях по ходам корней и во внутренних полостях почвенного профиля [4, 5].
Рис. 4. Состав дюнных песков и супесей Кысыл-Сырского тукулана, определённый под бинокулярным микроскопом (цена деления масштабных линеек - 1 мм).
а - процесс сортировки и подсчета кварцевых зёрен; б - хорошо окатанные кварцевые зерна с эоловой полировкой; в - хорошо окатанные экзотические минералы; г - неокатанные обломки мезозойских песчаников; д - новообразованные окислы марганца; е - оплавленная поверхность обломка фульгуритовой трубки
Изучение микротекстуры фульгуритов под сканирующим микроскопом
Субмикроскопический анализ трубок выполнен с использованием сканирующего электронного микроскопа7 при увеличении до 20 000 раз. Первые же микроснимки выявили фантастическую неповторимость их микростроения.
Нами условно выделено четыре основных микроморфологических разновидности кварцевых фульгуритов (рис. 5). К первой отнесены стёкла с массивной однородной текстурой и неявно слоистой структурой с единичными эллипсовидными пустотами, группирующимися в виде цепочек. Ко второй - пузырчатые участки, в которых суммарный объём пустот значительно превы-
шает объём фульгуритового стекла. Форма и размеры пузырей сильно варьируют и напоминают быстро вспененную и затвердевшую массу. К третьей разновидности микротекстуры фульгуритов отнесены тонкие, слегка скрученные волокна и жгуты кремнезёма, вероятно, представляющие собой структуры разбрызгивания расплавленного стекла. Они инкрустируют внутренние полости наиболее крупных пузырей и пустот фульгури-товых трубок.
Химический состав фульгуритов и внутрипочвен-ных трубок (ортштейнов)
Выводы об особенностях химического состава обнаруженных фульгуритов и внутрипочвенных трубок
Рис. 5. Текстура Кысыл-Сырских фульгуритовых стекол под сканирующим микроскопом.
а - массивная текстура кипения кварцевого стекла с крупными эллипсовидными пузырьками; б - пузырчатая текстура; в - пузырчатая взрывная текстура с фигурами разбрызгивания; г - инкрустация внутренней
поверхности пузырьков волокнами разбрызгивания
7 Субмикроскопическое изучение фульгуритов выполнено в Институте географии РАН (Москва) на сканирующем электронном микроскопе JEOL jsm 6060А при 20 1« с встроенным микрозондовым рентгенофлуоресцентным анализатором «Респект».
(ортштейнов) были сделаны нами на основе микрозон-дового анализатора и спектрального анализа. Встроенный в сканирующий микроскоп микрозондовый анализатор позволяет определять валовой химический состав в любой точке образца непосредственно при наблюдении его при большом увеличении. Для более ясного понимания минеральной структуры было выполнено несколько десятков определений (рис. 6). Гистограммы распределения основных элементов показывают, что кроме крайне чистых стёкол, состоящих исключительно из кремне-кислородных тетраэдров ^Ю2), в составе фульгуритов присутствует стекло с незначительной примесью алю миния, калия и железа.
Весьма интригующими оказались результаты мик-розондового анализа некоторых фульгуритов, а также ярко-охристых железистых и чёрных внутрипочвенных трубок - ортштейнов (рис. 7). Каркасы трубок образованы песчинками с преобладанием кремнезёма (рис. 7, а), но само цементирующее вещество образовано кислородом, железом, марганцем и углеродом в различном соотношении (рис. 7, б, в). Отсутствие оплавления и высокое содержание отмеченных элементов свидетельствуют об эпигенетическом образовании охристых и чёрных трубок внутри профиля развитой палеопочвы, которая позже была эродирована с поверхности тукулана в результате ветровой дефляции. Именно по этой причине охристые и
Спектр 1
а (Спектр 1)
Количественные результаты
80 60
о
5 40
£ 20
О
б (Спектр 3)
Количественные результаты
в (Спектр 5)
Количественные результаты
__о Мд А1 К Ре
Рис. 6. Результаты изучения элементного состава фульгуритовых стёкол под сканирующим микроскопом с точечным определением химического состава с помощью микрозондового анализатора.
а - химически чистое кварцевое стекло ^02); б - алюмосиликатное стекло; в - стекло с незначительной примесью алюминия, железа, калия и магния
а (Спектр 9)
О N3 А1 Са Яе
б (Спектр 13)
А1 Мп Ре
е (Спектр 12)
40 О) зо
А1 МП Ре
г (Спектр 8) 80
а? бо
т 40
о
о
ф 20 т
о
у
Л
Рис. 7. Результаты микрозондового анализа охристых и чёрных внутрипочвенных трубок
(ортштейнов).
а - частица (гранула) скелета; б - цементирующее вещество трубок охристого цвета; в - цементирующее вещество трубок чёрного цвета; г - включение углеродистого вещества внутри фульгуритового стекла
"П V Сг Мп Со N1 Си 1г\ 6а Аэ
1\1Ь Мо Ag Бп РЬ
Рис. 8. Микроэлементный состав фульгуритов и почвенных ортштейнов Кысыл-Сырского тукулана.
1 - фульгурит белый крупнозернистый; 2 - фульгурит белый мелкозернистый; 3 - ортштейн охристый крупнозернистый; 4 - ортштейн охристый мелкозернистый; 5 - ортштейн чёрный мелкозернистый; 6 -дюнный песок с глубины 1,5 м; 7 - дюнный песок с глубины 2,5 м; 8 - пороговые значения обнаружения элементов
чёрные трубки оказались на поверхности котловин выдувания в составе ветрового элювия.
Наконец, неожиданным оказался результат микро-зондового анализа одной фульгуритовой трубки. Внутри высокотемпературного расплава стекла было отмечено высокоуглеродистое включение неясной природы (см. рис. 7, г).
Результаты спектрального анализа фульгуритов, ортштейнов и дюнных песков
Спектральный анализ дюнного песка, фульгуритов и внутрипочвенных ортштейнов был выполнен нами для оценки их микроэлементного состава. Сводная диаграмма на рис. 8 свидетельствует о том, что дюнный песок и образованные из него фульгуриты имеют весьма сходный состав, за исключением лития, который отсутствует в фульгуритах, в то время как трубчатые железомарганцевые конкреции (педотубулы) имеют кардинальное отличие. Вместе с аутигенными железом и марганцем в них установлены высокие содержания кобальта, никеля, мышьяка, значительно превосходящие концентрации этих элементов в исходных дюнных песках. Концентрация данных элементов внутри почвенного профиля свидетельствует о преобладании окислительной среды при недостаточном увлажнении и хорошей аэрации, т.е. условий, свойственных для сухих сосновых лесов.
Обнаруженные фульгуриты и железомарганцевые педотубулы - это очередной феномен якутских туку-ланов, подтверждающий их высокую специфичность и недостаточную изученность. Вместе с тем, эти образования являются дополнительными характеристиками строения тукуланов, указывающими на сложность их фациального состава. Педотубулы - это важнейшие признаки при реконструкции палеогеографических и па-леоклиматических условий недавнего прошлого [7]. Они являются прямым признаком эволюционного развития песчаных массивов Центральной Якутии в экстрааридных условиях.
Сами по себе фульгуриты -- весьма редкие минералы - наверняка привлекут к себе внимание геологов и минералогов. Кроме того, они являются наиболее подходящим материалом для термолюминесцентного абсолютного датирования.
Наконец, крупные фульгуриты имеют большое эстетическое и ювелирное значение. Так, цена египетского кварцевого фульгурита среднего качества размером 4 х 0,8 см весом 3 - 4 грамма по ценам магазина «Кам-неведы» (г. Москва) варьирует от 20 до 50 долларов. С данной точки зрения, фульгуриты якутских тукуланов могут представлять определённую ценность при изготовлении оригинальных местных сувениров.
Исследования выполнены при частичной поддержке гранта РФФИ № 15-45-05129.
Список литературы
1. Галанин, А. А. Пустыни на мерзлоте / А. А. Га-ланин, А. А. Куть, А. И. Лонгинова // Наука и техника в Якутии. - 2014. - № 1 (26). - С. 27-30.
2. Червинский, П. Н. Природные и искусственные фульгуриты / П. Н. Червинский //Природа. - 1926. -№ 3, 4. - С. 26-48.
3. Лысюк, А. Ю. Фульгуриты - новый тип электро-атмогенных геологических образований / А. Ю. Лысюк, Г. А. Юргенсон, Н. П. Юшкин // Литосфера. - 2006. -№ 3. - С. 125-140.
4. Розанов, Б. Г. Морфология почв / Б. Г. Розанов. -М. : МГУ, 1983. - 320 с.
5. Зайдельман, Ф. Р. Генезис и диагностическое значение новообразований почв лесной и лесостепной зон / Ф. Р. Зайдельман, А. С. Никифорова. - М. : МГУ, 2001. - 216 с.
6. Ковда, В. А. Основы учения о почвах. Общая теория почвообразовательного процесса / В. А. Ковда. -М. : Наука, 1973. - Кн. 2. - 456 с.
7. Достовалов Б. Н. Общее мерзлотоведение / Б. Н. Достовалов, В. А. Кудрявцев. - М.: МГУ, 1967. - 444 с.
