2019 №2 (18) Февраль

2

От редакции

Вашему вниманию предлагается очередной выпуск ежемесячного журнала «Вестник

кафедры региональной геологи», восемнадцатый по счету.

Основная задача нашего электронного издания – информировать студентов,

магистрантов, аспирантов, преподавателей, а также абитуриентов о текущих событиях в жизни

кафедры, о планируемых мероприятиях, интересных фактах и теориях в области наук о Земле.

В нашем журнале есть возможность опубликовать небольшую научную работу в области наук о

Земле объемом публикации до 8 страниц формата А4, шрифт Times New Roman 14, единичный

интервал, цветные иллюстрации приветствуются. Публикации подлежат рецензированию.

Форма издания свободная – отдельные рубрики будут появляться и исчезать по мере

необходимости.

Приглашаем к сотрудничеству всех желающих. Читайте и пишите нам по адресу:

Белорусский государственный университет, географический факультет, кафедра региональной

геологии, 220030 Минск, ул. Ленинградская 16, ауд. 111, тел. 209-53-09, тел. моб.

+375297634959 seuruk@ya.ru, zhydkova@tut.by

Редакционная коллегия:

Т.А. Жидкова, Д.Л. Творонович-Севрук

Содержание

Новости кафедры региональной геологии 3

Новости географического факультета 6

Новости университета 9

Публикации кафедры 12

Увлекательная геология 21

3

Новости кафедры региональной геологии

№1.

Заканчивается прием докладов на участие в Международной научной конференции

«Проблемы региональной геологии запада Восточно-Европейской платформы и смежных

территорий».

На конференции будут представлены следующие научные направления:

региональное изучение земных недр;

тектоника и геодинамика;

стратиграфия и палеонтология;

геология месторождений полезных ископаемых;

четвертичная геология;

гидрогеология и инженерная геология;

геохимия и геофизика;

геохимия техногенеза;

компьютерные методы обработки геологических данных. Конференция состоится 10-12 апреля 2019 г. на географическом факультете Белорусского

государственного университета (ул. Ленинградская, 16).

Подробная информация о требованиях к представляемым докладам находится на странице

кафедры Вконтакте: https://vk.com/public134082169.

4

№2.

Приглашаем принять участие в XV Международном форуме-конкурсе студентов и молодых

ученых «Актуальные проблемы недропользования», который пройдет 13–17 мая 2019 г. в Санкт-

Петербурге.

Форум впервые пройдет под эгидой ЮНЕСКО в рамках созданного на базе Санкт-

Петербургского горного университета Международного центра компетенций в горно-техническом

образовании.

Программа Форума-конкурса включает:

пленарное заседание в формате открытого диалога с участием ведущих российских и

зарубежных экспертов;

лекция престижа специального представителя Президента РФ по международному культурному сотрудничеству Михаила Швыдкого;

секционные заседания по 7 перспективным направлениям развитиям минерально-сырьевого комплекса;

8 мастер-классов ученых и специалистов в различных областях знаний с выдачей специального сертификата об участии;

чемпионат кейсов;

выступления участников в формате TEDx (ораторский конкурс);

проведение специальной 1-й Международной академической сессии юных учёных «Прикладное значение периодической таблицы химических элементов» для обучающихся 9–10

классов.

Лучшие статьи Форума-конкурса будут опубликованы в отдельном сборнике (CRСPress,

издательский дом Taylor&FrancisGroup). Статьи, включенные в сборник, будут проиндексированы в

базе цитирования SCOPUS.

Просим Вас обратить внимание на срок подачи заявок – до 1 марта 2019 г.

Подробная информация: http://www.kgu.kz/sites/default/files/Documents/nauka/MYouth_2019.pdf

5

№ 3. Праздники февраля!!!

14 Февраля – очень древний праздник, упоминания о нем встречаются еще в истории

Древнего Рима. В этот день язычники почитали покровительницу брака — богиню Юнону.

В праздник девушки писали свои имена на пергаменте и смешивали листки бумаги в общей

корзинке. Парни по очереди тащили записки, выбирая таким образом себе спутницу

на предстоящий год.

В 496 году Папа Римский объявил 14 февраля Днем святого Валентина. Существует много

легенд, рассказывающих о подвигах того, чьи именем назван праздник. Пика популярности День

влюбленных достиг в 18 веке. Тогда молодые люди начали дарить друг другу красивые

самодельные открытки в форме сердечек. В открытках писали признания в любви и стихи.

Сейчас романтический праздник отмечают во многих странах. Влюбленные с нетерпением

ждут его, чтобы признаться друг другу в своих чувствах.

От всей души желаем любить и быть любимыми!!!!

Уважаемые коллеги, аспиранты, магистранты, студенты!!!!

Коллектив кафедры поздравляет вас с Днём защитника Отечества!!!

Желаем вам силы, мужества и отваги. Пусть каждый день будет успешным, каждый поступок –

достойным, каждая идея – отличной, каждое слово – твёрдым, а каждое действие – уверенным.

Желаем быть здоровыми, любимыми и непобедимыми.

6

НОВОСТИ ФАКУЛЬТЕТА

№1. «Горизонт-2100».

№1

На должность декана географического факультета назначен доцент, кандидат географических

наук Курлович Дмитрий Мирославович.

Курлович Д.М. с 2007 г. работает на кафедре почвоведения и геологии, впоследствии –

почвоведения и земельных информационных систем БГУ, где прошел путь от ассистента до

доцента кафедры. В 2011 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Пространственная

дифференциация и динамика морфоструктур Белорусского Поозерья».В 2014 г. ему присвоено

ученое звание доцента по специальности «География».С 2017 г. заведует кафедрой почвоведения и

земельных информационных систем.

Является ведущим специалистом в области географических информационных систем (ГИС),

формирует научную школу в области геоинформатики на географическом факультете БГУ,

руководит работой 2 аспирантов. За время работы в БГУ опубликовал более 140 научных и учебно-

методических работ, в том числе 4 монографии и 10 учебно-методических пособий. Принимал

участие в качестве исполнителя в выполнении более 15 НИР; по 5 НИР являлся научным

руководителем.

7

№2

Звание «Заслуженный работник БГУ» присвоено 10 сотрудникам университета.

В их числе заведующий кафедрой общего землеведения и гидрометеорологии географического

факультета Петр Степанович Лопух. Поздравляем!!!

№3

Минералогическая выставка «Каменная сказка»

С 26 февраля по 2 марта 2019г. Музей землеведения географического факультета БГУ

организует 58-ю Международную минералогическую выставку "Каменная сказка".

Посетить ее можно с 11.00 до 20.00.

8

№4

Приглашаем для оздоровления в санаторий-профилакторий "ПОЛИТЕХНИК"

Подробная информация на сайте и информационных стендах факультета.

9

Новости университета

№1.

Постановка иногородних студентов на учет нуждающихся в жилом помещении в общежитии

в 2019-2020 учебном году

Второй семестр уже начался, а это значит что пора задуматься о том, где жить в следующем

учебном году

С 18 февраля стартовала кампания по сбору заявлений

о постановке иногородних студентов на учет нуждающихся в жилом помещении в общежитии в

2019-2020 учебном году!

Последним днем подачи заявлений для иногородних студентов является 22 марта! Поспешите

отнести заявление заместителю декана по учебно-воспитательной работе Вашего факультета!

Форму заявления можно найти на странице Студенческого городка БГУ в социальной сети

Вконтакте: https://vk.com/studgorodokbsu илистранице кафедры региональной геологии

https://vk.com/public134082169.

10

№2

Обучение за рубежом

Возможность для студентов и магистрантов обучаться за рубежом в рамках Соглашения

между Правительством Республики Беларусь и Правительствами:

Подробнее читайте в прикрепленном документе на странице кафедры Вконтакте. Запись от

13.02.2019г.

https://vk.com/public134082169

№3

Конкурс на получение грантов ректора для подготовки кандидатских и докторских

диссертаций впервые учрежден в БГУ

Направлен он на финансовую поддержку научных исследований, выполняемых работниками

БГУ с целью увеличения количества специалистов с ученой степенью.

В частности, средства гранта будут выделяться на публикации результатов научной работы,

приобретение материалов и оборудования, оплату участия в научных мероприятиях и другие

расходы, связанные с подготовкой и защитой диссертации.

11

Конкурс будет проводиться ежегодно с января по март. К участию приглашаются соискатели

ученой степени кандидата и доктора наук. Для подготовки кандидатской диссертации предусмотрен

грант на срок до двух лет, а для докторской – до трех. Всего будет определено три обладателя из

числа потенциальных кандидатов наук и пять – докторов наук.

Ознакомиться с положением и условиями участия в конкурсе можно на сайте Главного

управления науки БГУ.

№4

Выставка «Становление республики и вклад БГУ в ее развитие»

Выставка «Становление республики и вклад БГУ в ее развитие» открылась 25

февраля в БГУ (ул. Бобруйская, 5а). Посвящена она 100-летнему юбилею Белорусской Советской

Социалистической Республики.

На выставке будет представлено более 200 экспонатов, отражающих летописные страницы

истории БГУ в 20–30-е годы прошлого века и формирования на его базе многих профильных

институтов и учреждений Беларуси. Основу экспозиции составят предметы из собрания Музея

истории БГУ, отдела редкой и ценной книги Фундаментальной библиотеки вуза, а также Музея

истории медицины Республиканской научной медицинской библиотеки. В частности, посетители

познакомятся с копией Декрета об образовании БГУ, подлинными научными изданиями, среди

которых журнал «Труды БГУ», ученые записки и учебники, дипломы первых выпускников БГУ и

личные вещи выдающихся ученых вуза.

После провозглашения 1 января 1919 года Советской Социалистической Республики

Белоруссии правительство ССРБ практически сразу поставило вопрос о создании собственного

университета. Этот факт был зафиксирован в одном из первых правительственных постановлений –

Декрете ЦИК ССРБ от 25 февраля 1919 года «Об открытии Белорусского государственного

университета в городе Минске».

БГУ определял основные направления движения многих национальных вузов, вышедших в 1920–

30-е годы из его состава. Среди них: Белорусский государственный педагогический университет

им.М.Танка, Белорусский государственный медицинский университет, Белорусский

государственный экономический университет, Белорусский национальный технический

университет и др.

Работа выставки продлится до 1 марта.

12

Публикации кафедры

ПЕТРОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОД КУЛАЖИНСКОЙ СЕРИИ

Федотов В. И.

выпускник кафедры динамической геологии географического факультета БГУ 2018 г.

С учетом ранее проведенных исследований и данных, полученных в 2017-2018 гг. процессе

изучения минералого-петрографического состава пород кулажинской серии, выделены следующие

их разновидности: гиперстен-биотитовые, гиперстен-гранат-биотитовые, гранат-биотитовые

гипертенсодержащие, биотит-гранатовые и гранат-биотитовые, турмалин-(гранат)-биотитовые,

силлиманит-биотитовые, кордиерит-гранат-силлиманит-биотитовые шпинельсодержащие,

кордиерит-(гранат)-биотитовые, графит-(силлиманит)-гранат-биотитовые, биотитовые, (гранат)-

биотитовые гранитизированные.

Плагиогнейсы гиперстен-биотиовые (рисунок 1), гиперстен-гранат-биотитовые,

гранат-биотитовые гиперстенсодержащие. Текстура – массивная, часто гнейсоватая. Структура

– структура гетерогранобластовая, лепидогранобластовая, участками бластокатакластическая,

мелко-среднезернистая.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 35–55, биотит – 10–20, гиперстен – 5–15, кварц – 7–10,

гранат – 0 – 10 (иногда до 15 %), изредка ортоклаз – до 5–7. Акцессорные минералы представлены

апатитом, цирконом, монацитом, магнетитом, сульфидами (иногда до 2–3 %); вторичные – серицитом, серпентином, хлоритом, тальком.

Здесь и далее – фото шлифа: слева – с анализатором; справа – без анализатора;

видимое поле шлифа 3,5х2,5 мм;

фото автора.

Рисунок 1. Гнейс гиперстен-биотитовый, скважина Омельковщинская 4–2470,0 м.

Плагиоклаз (андезин, № 34–36) – зёрна изометричной, иногда короткотаблитчатой или

неправильной формы размером 0,2–1,0 мм с тонким полисинтетическим двойникованием.

Плагиоклаз часто серицитизирован и пелитизирован. Биотит – ярко-бурого цвета, представлен

мелкими чешуйками, распределёнными по всей породе. Размер чешуек 0,1–0,70 мм, иногда до 1,0

мм. Гиперстен присутствует в виде зерен субизометричной и неправильной «скелетной» формы

размером от 0,2–0,7 до 1,0–4,0 мм. Часто зерна гиперстена полностью замещены хлоритом, тальком

с образованием петельчатых структур. Кварц встречается в общей массе породы мелкими зернами

от 0,05 до 0,5 мм неправильной формы. Хорошо прослеживается характерное волнистое погасание.

Калиевый полевой шпат (тонкопертитовый ортоклаз) развивается по плагиоклазу. Апатит –

бесцветный или со слабым голубоватым оттенком, образует кристаллы призматического,

короткостолбчатого облика иногда с хорошо развитыми гранями шестигранной призмы. Размер

зерен от 0,10 мм, редко до 0,25 мм. Циркон присутствует в виде зерен от очень мелких (0,01 мм)

округлых, пирамидально-призматических размером до 0,15 мм, с выраженным ореолом продуктов

13

радиоактивного распада. Некоторые зерна частично деформированы. Циркон обычно включен в

биотит. Монацит представлен редкими округлыми или неправильной формы зернами (0,05 мм),

включенными в биотит. Магнетит представлен зёрнами от 0,1 до 1,0 мм неправильной формы.

В гиперстен-гранат-биотитовых разновидностях кроме описанных выше минералов встречаются

ещё и гранаты – зерна правильной округлой формы с множеством трещинок и пойкилитовыми

включениями кварца, плагиоклаза и биотита, размером от 0,5 до 2,5 мм.

Плагиогнейсы и гнейсы гранат-биотитовые (рисунок 2). Текстура – гнейсоватая,

полосчатая, линзовидно-полосчатая. Структура – гранобластовая, лепидогетерогранобластовая с

элементами порфиробластовой.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 40–45, биотит – 15–25, кварц – 15–20, гранат – 5–10,

калиевый полевой шпат – 3–5, иногда отмечается андалузит и кианит (рисунок 3). Акцессорные

минералы представлены апатитом, цирконом, рудными минералами (магнетит, сульфиды);

вторичные – хлоритом, серицитом, пелитовым материалом. Порфировидные включения

представлены плагиоклазом и гранатом.

Рисунок 2 – Плагиогнейс гранат-биотитовый с порфиробластовой структурой, скв.

Барсуковская 60–3556,0 м.

Рисунок 3 – Плагиогнейс гранат-биотитовый с андалузитом и кианитом; скв. Барсуковская

60–3760,0 м

Плагиоклаз (олигоклаз, олигоклаз-андезин) в основной массе породы встречается зернами

таблитчатой, субизометричной или неправильной формы размером от 0,5 до 1,5 мм. Почти всегда

пелитизирован и серицитизирован. Порфировидные выделения плагиоклаза имеют величину до

3,0–5,0 мм. Биотит – ярко-бурого цвета, в большинстве случаев представлен чешуйками

величиной от 0,1 до 0,5 мм, развивающимися вдоль плоскостей сланцеватости. Встречаются зёрна

14

неправильной формы от 0,5 до 0,7 мм. Кварц представлен скоплениями зерен неправильной формы

от мелких (0,1–0,2мм) до крупных (1–2 мм) размеров. Гранат встречается зернами с округлой

формой, с множеством трещинок. Размеры зёрен от 0,5 до 2,5 мм, порфировидные выделения до

3,0–4,0 мм. Калиевый полевой шпат, ортоклаз с микропертитовым строением, обычно ассоциирует

со скоплениями биотита, иногда он содержит реликты плагиоклаза. Циркон – округлые зёрна с

ореолом продуктов распада радиоактивных элементов. Магнетит представлен кристаллами

неправильной формы размером в среднем около 0,2 мм.

Плагиогнейсы биотит-гранатовые (рисунок 4). Текстура – гнейсоватая, иногда массивная.

Структура – лепидогетерогранобластовая с элементами порфиробластовой.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 40–45, гранат – 15–25, кварц – 15–20, биотит – 10–15,

калиевый полевой шпат – до 3. Акцессорные минералы представлены магнетитом, цирконом,

апатитом, вторичные – кальцитом, хлоритом, пелитовым материалом.Пл агиоклаз представлен

зёрнами округлой и неправильной формы размером от 0,2 до 1,0 мм. Плагиоклаз обычно

пелититирован и серицитизирован. Гранат в шлифе встречается в виде больших порфировидных

зёрен размерами от 1,0 до 6,0 мм. Часто по трещинам в гранате развивается хлорит. Кварц

встречается в виде мозаичных скоплений или отдельных зерен размером от 0,25 до 2,50 мм.

Биотит присутствует в виде небольших чешуек, заполняет межзерновое пространство. Ярко-

бурого цвета, размеры зерен от 0,02 до 0,50 мм. Циркон наблюдается в основном в биотитах и

представлен мелкими круглыми зернами. Магнетит представлен кристаллами неправильной

формы размером 0,2–0,3 мм.

Рисунок 4. Гнейс биотит-гранатовый, скв. Ребусская 1–4271,5 м

Гнейсы турмалин-(гранат)-биотитовые, иногда с мусковитом (рисунки 5, 6). Текстура –

сланцеватая, гнейсоватая. Структура – лепидогетерогранобластовая, мелко-среднезернистая, иногда

отмечается пойкилобластовая и порфиробластовая, за счет присутствия крупных зерен граната и

включения мелких зерен плагиоклаза, кварца и биотита в крупные зерна граната и турмалина.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 35–45, кварц – 20–25, гранат – 10–15, биотит – 10–15,

турмалин – 7–10, калиевый полевой шпат – 3–7, иногда мусковит – 2–3. Акцессорные минералы

представлены цирконом, апатитом и рудными минералами (магнетит, сульфиды).

15

Рисунок 5. Гнейс биотит-гранатовый турмалинсодержащий с мусковитом,

скв. Хойникская 1–1844,0 м

Рисунок 6. Гнейс турмалин-биотитовый, скв. Хойникская 1–1817,0 м

Гнейсы силлиманит-биотитовые (рисунок 7). Текстура – гнейсоватая, полосчатая.

Структура – лепидогранобластовая, гранолепидобластовая, мелкозернистая, иногда

порфиробластовая

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 40–50, биотит – 15–20, кварц – 10–15, силлиманит – 7–10,

калиевый полевой шпат – 5–10. Акцессорные минералы представлены магнетитом и цирконом.

Рисунок 7. Гнейс силлиманит-биотитовый, скв. Барсуковская 60–3637,0 м

16

Плагиоклаз представлен зёрнами субизометричной и неправильной формы; распределен в

породе равномерно. Минералы пелитизированы и серицитизированы. Двойникования в них не

заметно. Размеры зерен от 0,2 до 1,0 мм. Биотит красновато-коричневого цвета образует чешуйки

размером от 0,2–0,8 до 1,5–2,0 мм. В породах распределен неравномерно, слагая скопления в

промежутках между зернами плагиоклаза. Кварц встречается мозаичными скоплениями и

отдельными зернами (размером от 0,2 до 1,0 мм) с волнистым угасанием. Силлиманит бесцветного,

иногда легкого зеленоватого оттенка встречен в виде шестоватых, игольчатых, иногда

волосовидных кристаллов, приуроченных к скоплениям чешуек биотита. Размер зёрен в среднем

0,2–0,5 мм. Калиевый полевой шпат представлен пертитовым ортоклазом, имеет неправильную

форму. Магнетит представлен кристаллами неправильной формы размером в среднем 0,2–0,4 мм.

Циркон – округлые зёрна с ореолом продуктов распада радиоактивных элементов.

Плагиогнейсы кордиерит-гранат-силлиманит-биотитовые шпинельсодержащие

(рисунок 8). Текстура – гнейсоватая. Структура – лепидогранобластовая, с элементами

порфиробластовой.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 30–40, биотит – 20–25, гранат – 15–20, силлиманит –

10–15, кордиерит – 5–7, калиевый полевой шпат – 5–7, шпинель –2–3. Акцессорные минералы:

циркон, монацит.

Рисунок 8. Гнейс кордиерит-гранат-силлиманит-биотитовый шпинельсодержащий, скв.

Городокская 4–2465,0 м

Плагиоклаз (олигоклаз № 21) представлен мелкими зернами (0,2–2,0 мм) неправильной

угловатой, угловато-таблитчатой формы. Биотит коричневого цвета обычно наблюдается в виде

агрегатов чешуек или сростков с силлиманитом, которые окружают гранат. Биотит содержит

многочисленные включения мелких округлых зерен циркона. Гранат образует округлые крупные

порфиробластовые трещиноватые зерна размером до 3,0–5,0 мм, содержит обычно включения

биотита и плагиоклаза. Силлиманит встречается преимущественно в виде удлиненно-

призматических кристаллов (0,3–1,2 мм), а также образует тонкоигольчатые выделения. В зернах

силлиманита отмечена шпинель. Кордиерит присутствует в виде небольших единичных зерен (0,5–

1,0 мм), заключен среди скоплений биотита и представлен как неизмененными выделениями, так и

зернами с псевдоморфозами замещения. В проходящем свете имеет слегка желтоватый цвет.

Калиевый полевой шпат (ортоклаз) характеризуется таблитчато-округлой формой; размеры зерен

0,5–0,8 мм. Шпинель имеет бутылочно-зеленый цвет, зерна (0,01–0,05 мм) угловато-неправильной,

реже субидиоморфнозернистой формы. Шпинель часто заключена в зернах силлиманита, а также

приурочена к скоплениям биотита и силлиманита. Циркон – округлые зёрна с ореолом продуктов

распада радиоактивных элементов.

Гнейсы кордиерит-(гранат)-биотитовые (рисунок 9). Текстура – гнейсоватая, очковая;

структура лепидогранобластовая, гранолепидобластовая, мелко- и среднезернистая.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 30–40, биотит – 15–20, кварц – 15–20, калиевый полевой

шпат – 7–15, кордиерит – 5–10. Акцессорные минералы: рудные (магнетиты и сульфиды), циркон,

апатит.

17

Рисунок 9. Гнейс биотит-кордиеритовый с гранатом, скв. Омельковщинская 6–4025,0 м

Плагиоклаз представлен субизометричными зернами (0,5–4,0 мм) полисинтетически

сдвойникованными, которые иногда могут образовывать агрегатные скопления. Биотит – ярко-

бурого цвета, представлен чешуйчатыми зёрнами от 0,2 до 1,2 мм, развивающимися вдоль

плоскостей сланцеватости. Встречаются лейсты неправильной формы до 2,5 мм. Хорошо

прослеживается спайность. Кварц присутствует в виде волнисто угасающих зерен размером до 1,0–

3,0 мм. Калиевый полевой шпат (ортоклаз) представлен зёрнами разнообразной формы: вытянутой,

таблитчатой, округлой, неправильной. Размеры зёрен от 0,5 до 1,0 мм, иногда 2,5 мм. В зёрнах

наблюдаются процессы пелитизации и серицитизации. В калиевом полевом шпате наблюдается

сплошное или частичное развитие мелких линзовидных, линзовидно-ленточных, веретенообразных,

нередко игольчатых пертитов. В качестве включений минерал содержит кварц, иногда плагиоклаз.

На контакте с плагиоклазом могут наблюдаться мирмекиты. Кордиерит представлен как

изотропизированными, так и неизмененными зернами (0,3–1,5 мм) с таблитчатой или неправильной

формой, которые часто почти полностью замещены вторичными минералами (хлоритом и

серпентином), а также в нем фиксируются включения биотита и силлиманита. В проходящем свете

имеет желтоватый цвет. Циркон – округлые зёрна с ореолом продуктов распада радиоактивных

элементов. Сульфиды представлены округлыми зёрнами. Магнетит заполняет трещинки в биотите и

встречается отдельными зёрнами неправильной формы до 0,25 мм. Встречаются единичные зёрна

граната неправильной или округлой формы.

Гнейсы графит-(силлиманит)-гранат-биотитовые (рисунок 10). Текстура – сланцеватая.

Структура лепидогранобластовая, гранолепидобластовая, мелкозернистая,

лепидогетерогранобластовая, иногда с элементами пойкилобластовой и порфиробластовой.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 20–40, биотит – 15–20, кварц – 10–20, гранат – 7–15,

калиевый полевой шпат – 7–10, графит – 5–7, иногда силлиманит – до 5–7. Акцессорные минералы:

циркон, апатит, магнетит.

Рисунок 10. Гнейс графит-гранат-биотитовый, скв. Барсуковская 20 – 4177,6 м

18

Плагиоклаз присутствует в виде округлых или неправильной формы зёрен размером 0,3–0,8

мм, подверженные процессами пелитизации и серицитизации. Плагиоклаз равномерно распределен

в породе. Биотит ярко-коричневого цвета распространяется вдоль плоскостей сланцеватости.

Размер чешуек от 0,05 до 0,5 мм. Кварц распределен в породе равномерно в виде тонких

обособлений или образует линзовидные формы. Размер зерен от 0,05 до 0,30 мм. Гранат

представлен крупными округлыми зёрнами размером 1,2–1,5 мм. Калиевый полевой шпат

(ортоклаз) образует зерна неправильной формы размером 0,2–0,8 мм. Графит встречается в виде

черных непрозрачных чешуек размером 0,04–0,5 мм. Минерал, как правило, ассоциирует с силлиманитом, гранатом, биотитом. Иногда тонкие и удлиненные пластинки приурочены к

периферии линзовидных скоплений кварца или прорастают биотит и плагиоклаз. Силлиманит –

бесцветный с легким зеленоватым оттенком; обладает высоким рельефом. В породе встречается в

виде шестоватых, игольчатых, иногда волосовидных кристаллов, приуроченных к скоплениям

чешуек биотита. Магнетит представлен кристаллами неправильной формы размером до 0,2 мм.

Плагиогнейсы и гнейсы биотитовые (рисунок 11). Текстура гнейсовая, сланцеватая, реже

массивная. Структура гранолепидобластовая, лепидогранобластовая, обусловленная присутствием

зерен полевых шпатов и обтекающей их тонкозернистой кварц-полевошпат-биотитовой массы с

линзовидными скоплениями тонкозернистого кварца, иногда встречается бластомилонитовая

структура.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 40–50, биотит – 15 – 25, кварц – 10 –20, калиевый полевой

шпат – 5–10, иногда присутствует мусковит. Некоторые разности гнейсов содержат эпидот.

Акцессорные минералы представлены цирконом, апатитом, монацитом, магнетитом, сульфидами.

Рисунок 11. Плагиогнейс биотитовый, скв. Барсуковская 20–4030,8 м

Плагиоклаз присутствует в виде округлых или субизометричных зерен размером 0,2–1,5 мм.

Зерна плагиоклаза часто пелитизированы и серицитизированы. Биотит коричневого и бурого

цвета, иногда зеленовато-бурого, представлен чешуйками величиной от 0,2 до 1,0 мм. Иногда

биотит частично замещается хлоритом. Кварц содержится в виде мелкозернистых неправильно-

округлых зерен 0,1–0,3 мм, иногда до 1,5 мм, а также мелкомозаичного гранобластового агрегата в

промежутках между полевошпатовыми зернами. Кварц часто имеет волнистое угасание. Калиевый

полевой шпат представлен тонко-, мелкопертитовым ортоклазом в виде субизометричных,

округлых и неправильной формы зерен величиной от 0,3 до 1,5 мм. Эпидот встречается редко и

образует шестоватые, короткопризматические кристаллы размером 0,3–1,0 мм, иногда до 3,0–5,0

мм. Эпидот слабо плеохроирует в желтовато-зеленых тонах, обычно он ассоциирует с биотитом.

Гнейсы (гранат)-биотитовые гранитизированные (рисунок 12). Текстура – массивная,

гнейсоватая. Структура гранобластовая, бластическая, участками пойкилобластовая,

среднезернистая.

Минеральный состав (%): плагиоклаз – 30–40, кварц – 20–30, калиевый полевой шпат – до 15–20,

биотит – 10–15, иногда гранат. Акцессорные минералы: апатит, циркон, редко магнетит; вторичные

– хлорит, мусковит, серицит, пелитовый материал.

19

Рисунок 12. Гнейс биотитовый гранитизированный, скв. Барсуковская 4–3757,5 м

Плагиоклаз представлен неправильными, иногда округлыми пелитизированными и

серицитизированными зернами размером до 1,0–3,0 мм, редко до 5,0 мм, тонко полисинтетически

сдвойникованных. Кварц образует мозаичные скопления, в промежутках между которыми

расположен мелкозернистый кварц-полевошпатовый агрегат и чешуйки буровато-зеленого биотита.

Биотит бурого цвета образует чешуйки, часто замещается хлоритом и мусковитом. В биотите

присутствуют многочисленные мелкие включения циркона. Калиевый полевой шпат (решетчатый

микроклин) присутствует в виде крупных (до 8–12 мм) субизометричных зерен, содержащих

реликтовые включения плагиоклаза и кварца. Широко развиты мирмекиты.

Выводы

В результате выполненных работ было проведено изучение минералого-петрографического

состава пород Кулажинской серии, определены их текстурно-структурные особенности,

диагностированы породообразующие и акцессорные минералы, определены их морфологические

особенности. При рассмотрении изучаемых пород под микроскопом основные сложности вызывало

определение ортоклаза в шлифах и установление отличий его от плагиоклаза; внешне минералы

очень схожи.

Многие метаморфические породы Кулажинской серии претерпели сильные изменения из-за

процессов пелитизации, серицитизации, гранитизации и других процессов деформации и

метасоматических изменений [1–7].

Для Кулажинской серии характерно однообразие слагающих ее пород, представленных

почти исключительно гнейсами, среди которых в разрезах преобладают глиноземистые породы,

чередующиеся с биотитовыми гнейсами. Среди метаморфических пород кулажинской серии БГМ

на основе минералого-петрографического изучения были выделены следующие разновидности

пород: гиперстен-биотитовые, гиперстен-гранат-биотитовые, гранат-биотитовые

гипертенсодержащие, биотит-гранатовые и гранат-биотитовые, турмалин-(гранат)-биотитовые,

силлиманит-биотитовые, кордиерит-гранат-силлиманит-биотитовые шпинельсодержащие,

кордиерит-(гранат)-биотитовые, графит-(силлиманит)-гранат-биотитовые, биотитовые, (гранат)-

биотитовые гранитизированные.

Типичный минеральный состав глиноземистых пород (%): плагиоклаз – 25–50, кварц – 10–

30, биотит – 10–25, гранат – 5–25, калиевый полевой шпат – 5–15 (до 15–20 % в гранитизированных

породах), кордиерит – 0–10, силлиманит – 0–10, графит 0–7. Спорадически встречаются гиперстен,

кианит, шпинель, андалузит, турмалин, эпидот. Рудные минералы обычно представлены

магнетитом – до 1–2 % и сульфидами, в основном пиритом. Акцессорные минералы – апатит,

монацит, циркон; вторичные – хлорит, серицит, пелитовый материал.

Литература 1. Аксаментова Н.В. Сравнительная характеристика гранитоидов Микашевичско-Житковичского выступа //

Петрология и корреляция кристаллических комплексов Восточно-Европейской платформы / Кошевенко М.К.,

Зингерман А.Я. – Киев: Наук. думка, 1979.– С. 80–81.

2. Аксаментова Н.В. К вопросу о расчленении раннеархейских метаморфических образований Белорусского

кристаллического массива // Материалы по стратиграфии Белоруссии: Материалы Межведомств. стратигр. совещ. /

Найденков И.В., Архипова А.А. – Минск: НАН Беларуси ИГН., 1981.– С. 12–13.

20

3. Бондаренко Л.П. Кристаллические образования раннего докембрия юго-восточных склонов Балтийского щита

и центральных районов Русской плиты // Метаморфические комплексы фундамента Русской плиты: Сб. ст. /

Дагелайский В.Б.; Под ред. В.Б. Дагелайского, Л.П. Бондаренко. – Л.: Наука, 1978. – С. 15–42.

4. Доминиковская Д.А., Первичная природа и петрохимические особенности глиноземистых пород раннего

докембрия // Доклад АН БССР / Толкачикова А.А. – 1990 – С. 87–90.

5. Таран Л.Н. Петрология и геология гранулитов кристаллического фундамента Белоруссии: Автореф. дис. ...канд.

геол-мин. наук: 04.00.08 / Минск: ИГиГ АН Беларуси, 1992. – 23 с.

6. Толкачикова А.А. Глиноземистые породы кулажинской серии в фундаменте Припятского прогиба // Лiтасфера.

– 1999 – С. 86–90.

36а. Толкачикова А.А. Вещественный состав и петрогенезис гранитоидов Брагинского гранулитового массива

(Беларусь) // Лiтасфера. 2003. № 1 (16). С. 74–80.

7. Bogdanova S.V., Palaeproterozoic U-Pb zircon ages from Belorussia new geodynamic implications for the East

European Craton // Precambrian Res / Bibikova E.V., Gorbatschev R. – 1994 – P. 231–241.

Рецензент: Творонович-Севрук Д. Л.

21

Увлекательная геология

В самых разных уголках нашей планеты встречаются удивительно красивые геологические

образования — вертикально стоящие базальтовые столбы в форме плотно прилегающих друг

к другу правильных призм, чаще всего шестигранных. Все они в пределах одного базальтового

массива имеют одинаковую толщину, обычно от нескольких десятков сантиметров до 2 м,

но в разных местонахождениях разную. Наиболее известные столбчатые базальты находятся

на севере Ирландии. Это так называемая Тропа гигантов, или Лестница гигантов, — структура,

которая образовалась из излившейся лавы в рифтовой зоне при раскрытии Атлантического океана

и отделении Ирландии от Британских о-вов, прежде составлявших единое целое. Похожие

образования есть и во многих других местах на Земле, например в Исландии, в ущелье Гарни

в Армении, на вулканическом острове вблизи побережья Шотландии (знаменитая пещера Фингала),

в Неваде и наконец в России (мыс Столбчатый на о. Кунашир).

22

Рождение формы: пробелы в понимании

Геологов давно занимала загадка происхождения таких правильных форм,

но удовлетворительной теории их образования до сих пор предложено не было. Высказывались

предположения о генетической связи шестигранных базальтовых столбов с шестиугольными

ячейками конвекции Рэлея — Бенара. Эта форма конвекции была открыта в начале прошлого

столетия французским физиком Анри Бенаром в эксперименте с тонким горизонтальным слоем

вязкой жидкости, подогреваемым снизу (английский физик лорд Рэлей провел теоретический

анализ явления). При достижении критического значения температурного градиента весь слой

разбивался на одинаковые по размеру шестигранные ячейки, в центре которых жидкость

поднималась к свободной поверхности, а по их периферии опускалась вниз. Применительно

к базальтам в работе Д. Е. Трапезникова и др. [1] выдвинута контракционно-конвективная модель

возникновения столбчатой отдельности, согласно которой в слое жидкой излившейся лавы по мере

ее остывания создаются условия для конвекции Рэлея — Бенара. Затем при затвердевании

и дальнейшем охлаждении слоя объем массива уменьшается и термические напряжения разрывают

его на шестигранные столбы по границам бенаровских ячеек.

Однако эту модель также нельзя признать состоятельной: для наблюдаемой в экспериментах

бенаровской конвекции характерны горизонтальные размеры ячеек, примерно равные удвоенной

толщине слоя жидкости, тогда как в столбчатых базальтах толщина массива превышает размеры

ячеек в десятки раз. Кроме того, неясен механизм связи между конвективными ячейками

в базальтовом расплаве и инициацией растрескивания. Если же допустить, что охваченный

конвекцией слой намного тоньше излившегося слоя базальта, то непонятно, почему

инициированные в нем трещины пронизывают весь массив строго вертикально и столбы до самой

подошвы имеют плоские вертикальные грани.

При обзоре чрезвычайно обширной литературы по бенаровской конвекции

(см., например, [2]) с удивлением обнаруживаешь, что сама эта теория также полна путаницы

и нерешенных проблем. Так, во многих источниках указывается на возможность получения

простого точного решения уравнений гидродинамики в приближении Буссинеска (т. е. принимая

зависимость плотности от температуры линейной и учитывая изменения плотности только при

массовых силах), однако лишь в совершенно абстрактной, физически нереализуемой постановке,

когда и верхняя, и нижняя границы являются свободными. Часто упоминается также решение

в виде чередующихся цилиндрических валов, вращающихся в противоположных направлениях,

однако анализ устойчивости такого решения отсутствует. Но, как справедливо указано

в «Гидродинамике» Ландау и Лифшица [3], «осуществляющиеся в природе течения должны

не только удовлетворять гидродинамическим уравнениям, но должны еще быть устойчивыми:

малые возмущения, раз возникнув, должны затухать со временем». В настоящей статье нас

совершенно не интересуют нефизические постановки, нереализуемые граничные или начальные

условия, а также нефизические моды потери устойчивости, теоретические мыслимые, но реально

не наблюдаемые: и исходные состояния, и способы их модификации должны быть естественными

и физически наблюдаемыми.

Невозможно также считать удовлетворительным предложенное И. Пригожиным [4]

объяснение геометрии наблюдаемой в экспериментах с тонкими слоями жидкости в прямоугольных

кюветах валиковой конвекции трансляцией граничных условий, когда прямолинейная вертикальная

стенка как бы распространяется далее по кювете от предыдущего цилиндрического вала к последующему. Ведь валиковая конвекция наблюдается также в чашке Петри или другой круглой

посуде, где никаких прямолинейных бортиков нет, причем валы, как правило, подходят к краю

кюветы под прямым углом. При этом характерный пространственный период валиковой конвекции

может быть в десятки раз меньше диаметра круглой кюветы, так что влиянием боковых границ

вдали от них можно смело пренебречь. Валиковая конвекция происходит также в облачном слое

атмосферы, порождая часто наблюдаемые протяженные облачные гряды, разделенные равными

промежутками (их хорошо видно на фотографии с борта самолета), — а в этом случае никаких

твердых границ нет вообще. Наконец, странно было бы для объяснения линейных цилиндрических

валов искать одно объяснение, а для шестигранных ячеек Бенара — совсем другое, ни с какими

граничными условиями на бортиках не связанное.

23

Геологов давно занимала загадка происхождения таких правильных форм,

но удовлетворительной теории их образования до сих пор предложено не было. Высказывались

предположения о генетической связи шестигранных базальтовых столбов с шестиугольными

ячейками конвекции Рэлея — Бенара. Эта форма конвекции была открыта в начале прошлого

столетия французским физиком Анри Бенаром в эксперименте с тонким горизонтальным слоем

вязкой жидкости, подогреваемым снизу (английский физик лорд Рэлей провел теоретический

анализ явления). При достижении критического значения температурного градиента весь слой

разбивался на одинаковые по размеру шестигранные ячейки, в центре которых жидкость

поднималась к свободной поверхности, а по их периферии опускалась вниз. Применительно

к базальтам в работе Д. Е. Трапезникова и др. [1] выдвинута контракционно-конвективная модель

возникновения столбчатой отдельности, согласно которой в слое жидкой излившейся лавы по мере

ее остывания создаются условия для конвекции Рэлея — Бенара. Затем при затвердевании

и дальнейшем охлаждении слоя объем массива уменьшается и термические напряжения разрывают

его на шестигранные столбы по границам бенаровских ячеек.

Однако эту модель также нельзя признать состоятельной: для наблюдаемой в экспериментах

бенаровской конвекции характерны горизонтальные размеры ячеек, примерно равные удвоенной

толщине слоя жидкости, тогда как в столбчатых базальтах толщина массива превышает размеры

ячеек в десятки раз. Кроме того, неясен механизм связи между конвективными ячейками

в базальтовом расплаве и инициацией растрескивания. Если же допустить, что охваченный

конвекцией слой намного тоньше излившегося слоя базальта, то непонятно, почему

инициированные в нем трещины пронизывают весь массив строго вертикально и столбы до самой

подошвы имеют плоские вертикальные грани.

При обзоре чрезвычайно обширной литературы по бенаровской конвекции

(см., например, [2]) с удивлением обнаруживаешь, что сама эта теория также полна путаницы

и нерешенных проблем. Так, во многих источниках указывается на возможность получения

простого точного решения уравнений гидродинамики в приближении Буссинеска (т. е. принимая

зависимость плотности от температуры линейной и учитывая изменения плотности только при

массовых силах), однако лишь в совершенно абстрактной, физически нереализуемой постановке,

когда и верхняя, и нижняя границы являются свободными. Часто упоминается также решение

в виде чередующихся цилиндрических валов, вращающихся в противоположных направлениях,

однако анализ устойчивости такого решения отсутствует. Но, как справедливо указано

в «Гидродинамике» Ландау и Лифшица [3], «осуществляющиеся в природе течения должны

не только удовлетворять гидродинамическим уравнениям, но должны еще быть устойчивыми:

малые возмущения, раз возникнув, должны затухать со временем». В настоящей статье нас

совершенно не интересуют нефизические постановки, нереализуемые граничные или начальные

условия, а также нефизические моды потери устойчивости, теоретические мыслимые, но реально

не наблюдаемые: и исходные состояния, и способы их модификации должны быть естественными

и физически наблюдаемыми.

Невозможно также считать удовлетворительным предложенное И. Пригожиным [4]

объяснение геометрии наблюдаемой в экспериментах с тонкими слоями жидкости в прямоугольных

кюветах валиковой конвекции трансляцией граничных условий, когда прямолинейная вертикальная

стенка как бы распространяется далее по кювете от предыдущего цилиндрического вала

к последующему. Ведь валиковая конвекция наблюдается также в чашке Петри или другой круглой посуде, где никаких прямолинейных бортиков нет, причем валы, как правило, подходят к краю

кюветы под прямым углом. При этом характерный пространственный период валиковой конвекции

может быть в десятки раз меньше диаметра круглой кюветы, так что влиянием боковых границ

вдали от них можно смело пренебречь. Валиковая конвекция происходит также в облачном слое

атмосферы, порождая часто наблюдаемые протяженные облачные гряды, разделенные равными

промежутками (их хорошо видно на фотографии с борта самолета), — а в этом случае никаких

твердых границ нет вообще. Наконец, странно было бы для объяснения линейных цилиндрических

валов искать одно объяснение, а для шестигранных ячеек Бенара — совсем другое, ни с какими

граничными условиями на бортиках не связанное.

24

Конвективные валы в облачном слое. Вид с самолета

Поэтому попробуем рассмотреть бенаровскую ячеистую конвекцию, исходя непосредственно

из соображений устойчивости покоя и устойчивости движения, чтобы понять, какие формы

конвекции в этой задаче можно действительно встретить в природе. Начнем с рассмотрения

устойчивости тонкого горизонтального слоя вязкой несжимаемой жидкости со свободной верхней

границей, с условием прилипания (фиксации) на нижней горизонтальной границе и в приближении

отсутствия боковых границ (горизонтальная протяженность слоя настолько больше его толщины,

что влиянием боковых границ можно пренебречь). Пусть этот слой покоится, равномерно

подогревается снизу, и в нем за счет теплопроводности устанавливается линейный вертикальный

градиент температуры и плотности. Теплая, менее плотная жидкость находится ниже более

плотной, так что потенциальная неустойчивость налицо. Но сможет ли она реализоваться при

любых значениях градиента плотности?

Вихрь из капли

И эксперимент, и теоретический анализ устойчивости позволяют однозначно ответить на этот

вопрос отрицательно. Действительно, пусть где-то в объеме жидкости возникла флуктуация

плотности / температуры, т. е. некий малый по сравнению с толщиной слоя сферический объем оказался перегретым относительно окружающей его жидкости. (Мы считаем этот объем

сферическим, так как уравнение теплопроводности исключает устойчивость иных геометрий

возмущений температуры.) Что произойдет с этой теплой каплей дальше? Она начнет всплывать

вверх под действием архимедовых сил, подобно аэростату-монгольфьеру. Двигаясь вверх, она

попадет в еще более холодный слой жидкости, так что при отсутствии диссипации тепла

архимедова сила только увеличится. Но, как мы предположили, жидкость вязкая и теплопроводная,

так что всплытию капли будут противодействовать вязкие напряжения, а сама капля начнет

остывать и терять плавучесть. И если вертикальный градиент плотности / температуры мал,

диссипативные эффекты погасят флуктуацию, она просто рассосется. Итак, существует некое

пороговое значение температурного градиента, такое, что малые флуктуации разрастаются, если

градиент больше этого значения, и угасают, если он меньше. При этом мы рассматриваем лишь

малые флуктуации, порожденные молекулярным хаосом, так как пороговое значение градиента

25

очевидно зависит от масштаба флуктуаций: оно больше для меньших флуктуаций и меньше для

больших.

Пороговое значение температурного градиента рассмотрено в [3] и дается формулой

−dTdz<gβTc,−dTdz<gβTc,

где Т — температура, z — вертикальная координата, g — ускорение силы тяжести, β —

температурный коэффициент расширения, с — теплоемкость.

Попробуем грубо оценить значение этого порогового градиента, подставив в приведенную формулу

следующие значения: g = 9,8 м/с2, β = 0,00002 К

−1, c = 0,84 Дж/кг К

−1 ≈ 0,84 м

2/с

2 К

−1. Получим

критическое значение градиента |dT/dz| = 0,00023 К/м.

Теперь рассмотрим эволюцию возмущения в случае, когда градиент достаточно велик для

разрастания этого возмущения. Силы вязкости жидкости, обтекающей всплывающую каплю,

создадут внутри капли нисходящие течения (на ее боковых границах) в системе отсчета, связанной

с центром капли, и компенсирующие их восходящие противотечения в ее центре и по оси подъема.

Получится тороидальный вихрь.

В результате действия аэродинамических сил капля будет деформироваться: растягиваться

в горизонтальной плоскости и сплющиваться по вертикальной оси (по теореме Жуковского

аэродинамическая сила ориентирована перпендикулярно направлению движения профиля

и пропорциональна циркуляции вектора скорости вокруг профиля). В некоторый момент

раскручивающийся тороидальный вихрь создаст гидродинамические силы, достаточные для

разрыва сплошности капли, и сплющенная сфера превратится в тор. При этом описанная выше

аэродинамическая сила будет продолжать растягивать вращающийся тор по горизонтали и,

соответственно, уменьшится малый радиус тора. Окружающая первоначальную каплю жидкость

будет силами вязкости вовлечена в оба эти процесса: тороидального вращения относительно

кольцевой вихревой линии и вертикального подъема.

Теперь вся эта масса жидкости окажется подверженной действию конвективных сил — подъему

по центру и опусканию по периферии возникающей конвективной ячейки. Относительно теплая

жидкость будет подсасываться внизу ячейки и подниматься вверх по ее центру, а относительно

более холодная опускаться по ее периферии. Архимедовы силы будут способствовать и тому

и другому. В тонких слоях рост ячейки будет продолжаться до тех пор, пока ячейка при своем

разрастании не коснется дна, где действуют условия прилипания, и некоторое время после этого,

пока диссипация энергии вязкими силами у дна не уравновесит ее выигрыш за счет конвекции.

На этом дальнейшее разрастание ячейки закончится, и течение внутри ячейки станет стационарным.

Танец в ансамбле

Приведенное рассмотрение, однако, неполно, так как мы пока считали всю окружающую ячейку

жидкость покоящейся. Однако на самом деле это не так, и окружающая жидкость также будет

вовлекаться в движение вязкими силами. Распространение возмущений приведет к раскрутке рядом

с первоначальной ячейкой соседних ячеек, движение жидкости в которых будет согласовано

с ее движением в исходной ячейке вследствие условия непрерывности вектора скорости в вязкой

жидкости. В принципе возможна (и в некоторых экспериментах действительно наблюдалась)

картина течения в виде концентрических кольцевых валов с чередующимся направлением

вращения, однако такая конфигурация неустойчива при тех значениях градиента температуры, при

которых молекулярных флуктуаций достаточно для инициации конвекции. По-видимому,

концентрические конвективные валы можно получить лишь при субкритических для бенаровской

конвекции значениях градиента, инициировав конвекцию искусственным созданием

сверхкритического возмущения в центре круглой кюветы.

В более реалистичном случае при достижении порогового для ячеистой конвекции значения

градиента возникнет множество ячеек, причем раскрутка жидкости по соседству с уже

раскрученными ячейками будет облегчена уже наличествующим возмущением. Образуются

сначала пары соседних ячеек, которые будут способствовать возникновению третьей и четвертой

ячеек рядом с первыми двумя, и так фронт конвекции быстро распространится по всему объему

26

горизонтального слоя. Движение жидкости в каждой такой ячейке можно описать как порожденное

находящимся в ее центре вихревым кольцом, а упорядоченный ансамбль таких ячеек — как

результат «кристаллизации» вихревых колец, притягивающихся друг к другу, если расстояние

между ними слишком велико, и отталкивающихся, если оно слишком мало. В результате

достигается наиболее устойчивая структура: гексагональная плотнейшая упаковка, как в монослое

одинаковых сферических бусинок на плоскости.

Однако мы пока рассмотрели лишь случай тонкого слоя, когда толщина сопоставима

с максимальным размером ячейки, при котором силы вязкости начинают препятствовать

дальнейшему разрастанию, или же меньше этого размера. Что произойдет, если этот слой

существенно толще? В этом случае мы получим многоярусную ячеистую конвекцию, где над

нижним слоем ячеек появится следующий слой, раскрученный в противоположном направлении,

т. е. с ячейками, в которых опускание происходит по центру, а подъем — по периферии.

В принципе вся описанная выше для монослоя конвективных ячеек картина сохраняется

с точностью до обращения векторов скорости, если мы рассмотрим не всплытие горячей капли,

а опускание холодной, т. е. начальное возмущение противоположного знака.

В тонких слоях такая обратная ориентация ячеек обычно не наблюдается, так как распределение

температуры на дне, создаваемое подобной схемой, термодинамически неустойчиво: оно состоит

из холодных точек на горячем фоне. Уравнение теплопроводности требует обратной картины

неоднородностей температуры, т. е. горячих точек на холодном фоне. Ведь пара расположенных

рядом восходящих потоков — неустойчивое образование, эти потоки конкурируют друг с другом,

стремясь расширить свою область питания. Более сильный поток при этом поглощает более слабый,

отбирая у него область питания. В гипотетической картине с монослоем бенаровских ячеек

обратной ориентации, т. е. с подъемом по периферии, наиболее горячими точками будут стыки трех

соседних ячеек. Эти потоки в углах ячеек перетянут на себя восходящие потоки на их границах

и станут центрами ячеек с нормальной ориентацией, т. е. произойдет фазовый переход к дуальной

гексагональной решетке. Однако в случае многоярусной конвекции, где по вертикали чередуются

слои ячеек с опусканием по центру и подъемом по периферии и слои ячеек с противоположным

направлением вращения кольцевых вихрей, указанная конфигурация является единственно

кинематически возможной и потому устойчивой.

Что же случится, если слой жидкости, напротив, окажется слишком тонким, т. е. тоньше

минимального вертикального размера шестигранной бенаровской ячейки, при котором (при

заданных значениях теплового потока) диссипация энергии движения силами вязкого трения

и теплопроводности еще компенсируется подкачкой энергии силами плавучести? В этом случае

ячейка не сможет расти сразу во всех направлениях, но сможет удлиняться, образуя пару

конвективных валов с противоположными направлениями вращения, и раскручивать аналогичные

валы по обе стороны от первоначальной пары. Это означает разрыв вихревого кольца

и продолжение (рост) кинематически спаренных вихревых линий далее от точки разрыва.

Шестигранные ячейки станут в этом случае неустойчивыми, а валы, напротив, устойчивыми.

Если теперь увеличить подвод тепла, кинематически возможен процесс, обратный только что

описанному: возникновение поперечной неустойчивости пар конвективных валов, пересоединение

вихревых линий соседних валов с их замыканием друг на друга и возникновением замкнутых, хотя

и сплющенных (точнее, горизонтально вытянутых) вихревых колец. В этом случае конвективный

слой распадается на продолговатые вытянутые ячейки — ламели. Их дальнейшему округлению будет препятствовать взаимное притяжение протяженных частей спаренных вихревых линий,

подобное тому, что наблюдается у пар смерчей, движущихся как единое целое и вращающихся

в противоположных направлениях. Характерное расстояние между ними поддерживается

равновесием сил притяжения вихревых линий и сил отталкивания, которые связаны с упругостью

линий тока, определяемых инерцией жидкости. При дальнейшем усилении подогрева

получившиеся ламели распадаются на нормальные круглые вихревые кольца, т. е. возникает

типичная бенаровская конвекция.

27

Застывшее движение

Возвращаясь к геологическим структурам, видим, что многоярусная ячеистая конвекция —

не просто допустимое уравнениями гидродинамики решение, но и реально наблюдаемое явление,

если не в процессе, то по своему итогу. Именно окаменевшие результаты этого явления

мы и наблюдаем в столбчатых базальтах, например в виде Лестницы гигантов на севере Ирландии.

Еще одно название данной формации — Мостовая гигантов. На приведенной в начале статьи

фотографии видно, откуда оно взялось. Обширные площади словно вымощены базальтовыми

плитками примерно одинакового размера и правильной формы, в основном шестиугольными.

Поперечный размер плитки около 1,5 м. На фотографии детали этой «мостовой» при большем

увеличении видно, что боковые вертикальные грани плиток — почти правильные плоскости.

Верхние горизонтальные грани могут быть плоскими, но порой они выпуклые или вогнутые.

Горизонтальный участок Лестницы гигантов, называемый Мостовой гигантов, и его деталь при

большем увеличении

28

На обзорной фотографии заметны вертикальные плоские грани конвективных колонн,

их почти одинаковый поперечный размер и членение каждой колонны по вертикали

на горизонтальные плитки почти одинаковой толщины. Горизонтальные границы плиток соседних

столбов находятся на одном уровне. Если рассмотреть детали снимка при большем увеличении,

то можно увидеть некоторые другие интересные особенности членения данного базальтового

массива. Это сколы на угловых вертикальных ребрах ячеек, преимущественно в донных частях

ячеек, но иногда и у их верхних горизонтальных граней; округлые трещины на боковых гранях,

особенно на узких гранях у ячеек неправильной формы; видно также, что упомянутые выше сколы

происходят именно по этим трещинам, а у наиболее правильных ячеек сколоты и углы,

и горизонтальные ребра, так что базальтовая плитка больше всего напоминает по форме

традиционную шестигранную гайку со снятыми фасками по верхним и нижним ребрам

и со скругленными углами, примыкающими к шестиугольным поверхностям.

Все эти особенности нуждаются в объяснении, которое и будет предложено ниже. Для

начала отметим, что минеральный и гранулометрический состав базальта варьирует в зависимости

от местонахождения образца в пределах ячейки. Это указывает на два сопряженных процесса:

механическую сортировку материала конвективными движениями застывающей лавы

и минералогическую сортировку по кривой солидуса из-за различной температуры в пределах

ячейки. Зерна минералов разной плотности обладают разной плавучестью и в результате оседают

вниз или всплывают вверх, а кроме того, увлекаются конвективными движениями по-разному

в зависимости от их формы — округлой, пластинчатой или игольчатой. Пластинки и иглы

в сдвиговом течении при этом будут преимущественно ориентированы по наибольшим измерениям

вдоль линий тока и плоскостей сдвига.

Затвердевание начинается на углах и ребрах ячеек и лишь затем распространяется

в центральные области, где температура всегда выше, чем на периферии ячеек. После

затвердевания начинается объемное сжатие материала по мере охлаждения и растрескивание

массива, причем трещины проходят по спайности, а спайность на границах ячеек идет

по поверхностям скольжения в сдвиговом течении. Вот так отдельность наследует спайности,

а спайность, в свою очередь, наследует поверхностям скольжения в сдвиговом ламинарном течении

многоярусной бенаровской конвекции.

Заметим также, что вязкость базальтовой или андезитовой лавы сильно зависит

от температуры расплава, поэтому еще до начала затвердевания конвекция вдали от центральной

оси конвективных колонн прекращается и поддерживается лишь в их центральных частях,

а периферия (более холодная, а следовательно, более вязкая) превращается в застойные зоны.

Именно в них и будут откладываться минералы, первыми выпадающие из расплава. Так образуются

вторичные внутренние границы, вдоль которых преобладают ориентированные по поверхностям

скольжения в ламинарном потоке пластинчатые и игольчатые минералы и по которым

впоследствии идет растрескивание. Отсюда сколотые под 45° к горизонтали углы ячеек

и их горизонтальные ребра. В проекции на вертикальные грани ячеек эти внутренние трещины

образуют овальные трещины, видные на фрагменте обзорной панорамы при большем увеличении.

Возвращаясь к вопросу о возможных формах конвективной неустойчивости, альтернативных

многоярусной бенаровской конвекции, следует упомянуть о встречающемся в литературе термине

«конвективные колонны». Имеются в виду бенаровские ячейки с вертикальными размерами,

существенно превышающими горизонтальные. Безусловно, такая форма конвекции возможна как кинематически, так и динамически, но она не удовлетворяет третьему, самому важному критерию,

а именно устойчивости этой формы движения жидкости (или газа).

Такие колонны окажутся подверженными поперечной (горизонтальной) неустойчивости

восходящих и нисходящих потоков: соседние линии тока с противоположным направлением

движения будут легко разрываться и замыкаться друг на друга, что приведет к перестройке картины

движения к описанной выше многоярусной бенаровской конвекции, которая окажется уже

устойчивой. Тем самым конвективные колонны будут в лучшем случае переходной неустойчивой

стадией развития конвекции, если вообще смогут возникнуть. Поэтому как по горизонтали, так

и по вертикали в толстом слое подогреваемой снизу жидкости ячейки не смогут неограниченно

разрастаться, а произойдет «квантование» течения на ячейки, размер которых определится

соотношением сил инерции и вязкости, т. е. числом Рейнольдса для данной жидкости, зависящим

29

от характерного масштаба течения. При усилении нагрева упорядоченная ячеистая конвекция

просто разрушится и перейдет в неустойчивую хаотическую конвекцию.

Такой переход хорошо виден на фотографии пещеры Фингала, где базальтовый массив четко

делится по вертикали на три слоя: сплошной скальный массив без всяких трещин внизу, столбчатая

отдельность в промежуточном среднем слое и хаотическое нагромождение базальтовых глыб

поверх слоя столбчатых базальтов, причем границы между этими тремя слоями строго

горизонтальны. Согласно нашей интерпретации этой геоморфологии, в нижнем слое излившейся

базальтовой лавы температурный градиент был недостаточен для возникновения конвективной

неустойчивости, в среднем слое он обеспечивал многоярусную бенаровскую конвекцию, в свою

очередь поддерживавшую этот линейный температурный градиент, и, наконец, в верхнем слое

градиент был слишком велик и приводил к хаотической конвекции, порождающей нагромождение

базальтовых глыб, которые образуются при их быстром остывании и растрескивании.

Стопки базальтовых плиток, образующих вертикальные столбы рядом с пещерой

Фингала. На верхнем снимке отчетливо прослеживаются три горизонтальных пласта базальтового

массива: сплошной нерасчлененный массив внизу, столбчатые базальты в среднем слое

и хаотическое нагромождение бесформенных базальтовых глыб в верхнем слое

30

Отметим также, что растрескиванию базальтового массива при затвердевании

(кристаллизации) способствует значительное сокращение его объема при этом процессе (примерно

на 12%). Это означает коэффициент линейного сжатия около 4%, что согласуется с величиной

вертикального зазора между плитками около 3 см при диаметре плиток примерно 1,5 м (как

на фотографиях Мостовой гигантов). Вогнутость в центре горизонтальных поверхностей верхнего

слоя плиток так же связана с их объемным сжатием при кристаллизации, как и выпуклость верхних

горизонтальных поверхностей нижележащего слоя плиток, остающихся в полужидком состоянии

после затвердевания верхнего слоя и наследующих форму выпуклой вверх горизонтальной границы

между верхним и нижележащим слоем. Форма этой границы в виде сферического сегмента, четко

видная на снимках, легко объяснима выдавливанием полужидкого содержимого ячейки

в результате сокращения горизонтального размера боковых граней в процессе их затвердевания.

Верхняя граница ячейки затвердевает раньше нижней, и объемное сокращение оставшегося

расплава осуществляется деформацией нижней границы.

Разумеется, приведенные рассуждения носят качественный характер, они не позволяют

количественно сопоставить различные физические и гидродинамические факторы, от роли

и взаимодействия которых зависит ход процесса и в конечном счете форма и размеры наблюдаемых

образований. Строгое исследование процессов, приведших к образованию базальтовых столбов,

должно быть основано на анализе моделей, адекватных той расплавленной среде, из которых они

образовались, что пока трудно реализовать, поскольку нет достаточной информации о свойствах

расплавленного базальта и соответствующих числовых значениях параметров.

Литература 1. Трапезников Д. Е., Сунцов А. С., Рыбальченко Т. М. К вопросу о происхождении столбчатой отдельности

в базальтах и ее аналогов // Вестник Пермского университета. Геология. 2012. Вып. 2(15). С. 8–15.

2. Гетвиг А. В. Конвекция Рэлея — Бенара. Структуры и динамика. М., 1999.

3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Гидродинамика. Т. VI. М., 1986.

4. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

https://elementy.ru/nauchno-

populyarnaya_biblioteka/434352/Stolbchatye_bazalty_i_konvektsiya_Releya_Benara