№ 3 (13) / 2023
Мария Леонова,
ученица 7 класса ГБОУгорода Москвы«Школа № 1502 «Энергия»
С.К. Пухонто,
к.г.-м.н., методист Клубаюных геологовМежвузовскогоакадемического центранавигации поспециальностям горногеологического профиляим. Ю.Н. Малышева ГГМ РАН
С самых давних пор человек использует камень для того,чтобы сделать свою жизнь более комфортной и безопасной.Еще не научившись обрабатывать камень, человек искалукрытие от непогоды, врагов и диких животных в естественных пещерах, созданных выветриванием в относительномягких осадочных породах.
Когда человек научился отделять и перемещать эти породы, начали появляться пещерные города. Например,Крымские пещерные города Чуфут-Кале и Бакла. По меретого, как человек учился обрабатывать камень, стали возникать и более серьезные постройки человеческой цивилизации.
Оказывается, известняком и известью – продуктом обжига известняка – люди начали пользоваться еще в древние времена. Например, при раскопках в Турции были обнаружены фундаменты из известняка, которым 14 000 лет!Прежние жители современной Иордании покрывали стеныи полы в своих домах известковой штукатуркой около10 000 лет назад. Пирамида Хеопса, построенная из известняка, появилась около 3000 лет до н. э. Примерно в это жевремя кельты начали удобрять известью свои поля. 500 летдо н. э. известь и известняковый раствор применялись пристроительстве Великой Китайской стены. С помощью извести древние римлянки красили волосы в светло-рыжийцвет. Стена Плача в Иерусалиме (19 г. до н. э.), уцелевшаяпосле разрушения Второго Храма римлянами в 70 годун. э., создана из плотно прилегающих известняковых плит.Из известняка построены Эфес и Пальмира, расположенные в Сирии, города-крепости великой Месопотамии, мальтийский храм Джгантия [15]. Конечно, нельзя не вспомнитьи белокаменную Россию, кремли, возведенные из «белогокамня».
Со временем кирпич как более прочный материал сталвытеснять известняковый камень при возведении зданий.А затем монолитное строительство стало основой современных городов и промышленных комплексов.
Я стала присматриваться и увидела, что известняк в томили ином виде окружает нас повсюду. И решила разобраться, так ли важен известняк в современной цивилизации.Сохранил ли он свою значимость для человека, например,в строительстве. В этом году мне удалось побывать на двухкарьерах по добыче известняка, проехать по грандиознойкрымской трассе «Таврида», при строительстве которой(как и любой другой дороги) используется щебень, посетитьместа, где известняковые толщи выходят на поверхность.
Информация, полученная во время геологических экскурсий, посещение карьеров и собранный полевой материал поставили передо мной вопросы: «Что же это за горныепороды?», «Откуда они взялись на планете?», «Какова ихроль в жизнедеятельности человечества?».
Значимость известняка в природопользовании неуменьшилась, а видоизменилась благодаря техническомупрогрессу. Первичный визуальный анализ собранного материала показал, что в образцах содержатся явно определяемые остатки живых организмов. Можно предположить,что порода имеет органогенное происхождение.
Использование известняка
Где в повседневной жизни обычный человек чаще всегоможет наблюдать использование известняка? Конечно, эторемонт и строительство дорожных покрытий. Последовательность слоев покрытия называют дорожной одеждой.При строительстве дорог различного назначения используются слои щебня различной толщины. Обычно толщинаслоя составляет не менее 15 см.
Сейчас редко увидишь дома из известняковых блоков.Только в индивидуальном и малоэтажном строительстве всельской местности. Их еще иногда используют для кладкистен и устройства фундаментов. Наибольшее распространение, особенно в многоэтажной городской застройке, получило монолитное строительство. Я живу в городе РеутовеМосковской области. Облик нового современного Реутоваформирует именно такое строительство. Это кварталы многоэтажных новостроек, дома культуры, спортивные и торговые центры. Кажется, что известняку нет места в этоммонолитном мире. Следует разобраться, так ли это.
Процесс монолитного строительства состоит из связанных технологически последовательных процессов: монтажарматуры; монтаж опалубки и лесов; укладка и уплотнениебетонной смеси; уход за бетоном летом и прогрев его зимой;демонтаж опалубки. Бетонная смесь для монолитного строительства представляет собой портландцемент, песок, щебень и воду в разных пропорциях (диаграммы 1, 2, 3).
Известняк – мономинеральная горная порода, состоящая из кальцита СаСО3. Обычно в нем присутствуют примеси. Существуют все переходы к другим типам осадочных пород. Цвет известняков обусловлен посторонними веществами – сам по себе агрегат кальцита белый. Как и минерал кальцит, известняк без труда царапается ножом, имеет твердость 3 по шкале Мооса. При взаимодействии с разбавленной соляной кислотой вскипает вследствие выделения углекислого газа. Часто в месторождениях рядом с известняками встречаются доломиты СаМg(СОЗ)2 [3], похожие на известняк по цвету, характеру примесей и условиям залегания. Доломиты образуются в морских бассейнах как вторичные продукты за счет известняков, растворенный магмагний вступает во взаимодействие с кальцитом известняка. Этот процесс называется доломитизацией и приводит к уничтожению органических остатков.
Каким образом и где добывается известняк?
Я посетила два карьера по добыче карбонатных горных пород. Касимовский карьер расположен на правом берегу реки Оки близ поселка Ташенка Касимовского района Рязанской области (фото 1, 2). Разработка Касимовского месторождения карбонатных пород была начата в 20-е годы прошлого века в СССР. С тех пор предприятие много раз модернизировалось, и в данный момент право на разработку принадлежит ЗАО «Касимовнеруд» [6].
Фото 1. Посещение Касимовского карьера, 2019 г.
Фото 2. Авторский макет Касимовского карьера. Выполнен из монтажной пены с включением образцов
В начале 2000-х география поставок продукции компании была очень широкой: в списке потребителей были предприятия по производству силикатного кирпича, стекольной, лакокрасочной, химической, металлургической и сахарной промышленности.
В 2019 г. я посетила карьеры в Крыму (фото 3, 4).
Фото 3. Посещение карьера, с. Мраморное, Крым 2019 г.
Фото 4. В отвалах карьера были отобраны образцы
Карьер по добыче карбонатных пород близ села Мраморное, Симферопольский район, Республика Крым. Разработка ведется ООО «Карьер Мраморный» [5].
Во времена СССР в карьере в качестве облицовочного сырья отрабатывались мраморовидные известняки верхней юры. Изменение известняков под влиянием процессов метаморфизма приводит к образованию мрамора. Переходные разновидности называются мраморизованными известняками. Крымские мраморизованные известняки использовались во внутренней облицовке московского метрополитена – станции «Комсомольская», «Библиотека имени. Ленина», «Парк культуры» и др. Если вглядеться внимательно в породы, украшающие станции метро, трудно не заметить раковины гастропод, наутилоидов, остатки иглокожих. «...А на лестнице к платформе в красноватом крымском мраморе мы видим окаменелые улитки, ракушки – остатки жизни каких-то древних южных морей, покрывавших много десятков миллионов лет тому назад нынешний Крым», – писалА. Ферсман о станции «Библиотека имени Ленина» [9].
Еще одно интересное место я посетила в Крыму. Это выработанный карьер близ села Скалистое Бахчисарайского района (фото 5).
Фото 5. Посещение оз. Мраморное (затопленный карьер)
После достижения уровня грунтовых вод карьер был затоплен водой и сейчас является зоной рекреации. Мне же были интересны берега с выработанной породой, где и были собраны образцы. Это мшанковые и нуммулитовые известняки мелового периода, местами мраморизованные (фото 6). Сейчас разработка месторождения ведется рядом компанией «Альма-Стоун».
Фото 6. На берегах оз. Мраморное были отобраны образцы нуммулит – одноклеточных животных, достигавших размера до 6-8 см
Известняки очень разнообразны по внешнему виду и сфере применения. Проанализировав добычу и использование известняков, следует ответить на вопрос, откуда и посредством каких процессов они появились на нашей планете.
Все отобранные образцы из разных мест залегания известняковых горных пород содержат фоссилии (окаменелые остатки живых организмов или их жизнедеятельности). В отвалах карьера близ села Мраморное мне не удалось найти фоссилий, но посетив станции метро, облицованные известняком Крымских месторождений [10], я убедилась в органогенном происхождении породы (фото 7).
Фото 7. Фоссилии в московском метро (слева направо: станции «Площадь Ильича», «Парк культуры», «Библиотека имени Ленина»)
Различают органогенные, хемогенные и обломочные известняки. Органогенные – самые распространенные на планете.
Примерно 570 млн лет назад в кембрийском периоде палеозойской эры произошел эволюционный взрыв, в огромное количество раз увеличив биологическое разнообразие [3]. Одним из важнейших событий явилось появление минеральных скелетов. Сначала беспозвоночные (трилобиты, кораллы, мшанки, иглокожие, моллюски), а потом и позвоночные, и фораминиферы научились добывать минеральные вещества из окружающей среды и строить из них скелеты [8].
Умирая, организмы осаждались на дно, где известковые скелеты накапливались, образуя толщи горных пород, называемых органогенными известняками. По происхождению, кроме биогенных и хемогенных, различают также обломочные известняки, образующиеся за счёт накопления обломков – продуктов разрушения более древних известняков. Было принято решение исследовать разновозрастные и характерные для территорий залегания виды известняков – каменноугольные известняки Центральной России на основе образцов, отобранных в Касимовском карьере, и юрские известняки Крыма на основе образцов, отобранных во время геологической экскурсии на гору Ай-Петри.
Органический мир в карбоне испытал существенное обновление. В морях вымерли граптолиты и резко сократились такие группы, как трилобиты, строматопоры и коралФотолы табуляты. Получают распространение фораминиферы, особенно фузулиниды. Из кишечнополостных бурно развиваются хететиды и кораллы ругозы. Многочисленны брахиоподы, особенно из отрядов продуктид и спириферид. Обильны мшанки, иногда образующие рифы, из головоногих моллюсков – гониатиты и наутилоиды. Разнообразны ракообразные, особенно остракоды [2]. Из иглокожих обильны морские лилии, остатки которых нередко образуют криноидные известняки.
В середине каменноугольного периода растения вывели из атмосферы столько углекислого газа, что температура упала, и началось глобальное похолодание. Ледниковая эпоха продолжалась несколько миллионов лет. Холодные периоды сменялись потеплениями и наоборот (фото 8).
Фото 8. Образец из Касимовского карьера, на котором явно выражены слои осадконакопления
Самыми распространенными обитателями этих «пульсирующих» морей были иглокожие животные – морские лилии, морские ежи, морские звезды, голотурии, а также брахиоподы (фото 9, 10).
Колыхались целые сады морских лилий, причем каждый вид старался держаться своих собратьев.
Фото 9. Остатки иглокожих: морских лилий (1, 2) и морских ежей(1, 3, 4), Касимовский карьер
Фото 10. Брахиоподы (1, 2) и гастроподы (3, 4), Касимовский карьер
Кроме беспозвоночных, в этих морях, конечно, обитали и многочисленные и разнообразные рыбы. Они были представлены в основном хрящевыми, относящимися к классу Chondrichthyes [7]. Из современных обитателей этого класса всем известны акулы и скаты.
На основе собранных в Касимовском карьере образцов была выполнена реконструкция морской экосистемы верхнекаменноугольного моря палеозойской эры. Мне показалось целесообразным изобразить на реконструкции большое количество различных морских лилий, т. к. «криноидеивые леса» являются своеобразной визитной карточкой морской жизни этого периода (рис. 1).
Рис. 1. Авторская реконструкция морской экосистемы верхнекаменноугольного моря палеозойской эры (акварель, карандаш, формат А3)
Гора Ай-Петри. Юрский коралловый риф
Когда речь заходит о рифах, сразу вспоминаются кораллы, которые в современном мире являются главными, хотяи не единственными строителями рифов. Рифы существовали на протяжении более чем миллиарда лет как специфические экосистемы. Иногда они испытывали расцвет, играя рельефообразующую роль, иногда почти исчезали. Менялся систематический состав организмов, строящих рифы. В прошлом кораллы иногда были не так важны, как сегодня, а иногда вовсе не являлись рифостроителями. Самыми первыми рифостроителями, известными человеку, были цианобактерии, строившие внушительные строматолитовые постройки [7]. В Крыму есть много мест, где известняковые толщи различного возраста и состава выходят на поверхность (фото 11, 12).
Фото 11. Бакла (памятник природы)
Фото 12. Скала Ак-Кая (Белогорск)
Только в мезозое рифы стали содержать огромное количество гексакораллов (другое название – склерактинии или шестилучевые кораллы), которые впервые появились в триасе. Шестилучевые кораллы (Hexacorallia) – подкласс коралловых полипов (Anthozoa), это одиночные или колониальные полипы с шестилучевой симметрией, т. е. количество щупалец, окружающих ротовое отверстие полипа, равно или кратно шести (фото 13).
Фото 13. Шестилучевые кораллы, гора Ай-Петри
Сборы ископаемых склерактиний в России лучше всего проводить в Крыму, где юрские известняки содержат большое количество кораллов, которые жили и строили огромные рифы на морских путях океана Тетис. На территории сегодняшнего Крыма располагалось тропическое море. Здесь и обосновался коралловый риф, часть которого сейчас и называется горой Ай-Петри.
В 2019 году во время геологической экскурсии по Крыму я посетила гору Ай-Петри, которая находится над городом Алупка и посёлком Кореиз на территории, входящей в состав Ялтинского горно-лесного заповедника.
Фото 14. Известняки Ай-Петри, сбор полевого материала
На склонах горы были собраны образцы, 90% которых и есть гексокораллы, колониальные и одиночные (фото 14). Именно колониальные формы принято считать рифостроителями [8]. В юрском периоде моря становились все чище и прозрачней, это происходило благодаря биофильтраторам – двустворчатым моллюскам и брахиоподам, фоссилии которых мне тоже удалось обнаружить, правда, в небольшом количестве. Конечно, экосистема юрского рифа содержала в себе не только гексокораллы. Они жили вместе с водорослями и строматопоратами (от них сохранились известковые слоистые скелеты разнообразной формы, от пластинчатой до ветвистой – дендроидной), мшанками и губками. Были и рыбы, но в отличие от современного моря в юрском периоде рыбы не были самыми многочисленными животными, их место занимали хищные головоногие моллюски аммониты и белемниты [2]. Собрано также малое количество гастропод – брюхоногих моллюсков (фото 15, 16).
Фото 14. Известняки Ай-Петри, сбор полевого материала
Фото 15. Образцы, собранные на склонах горы Ай-Петри
Фото 16. Гастроподы, гора Ай-Петри
Было интересно и целесообразно изучить и реконструировать экосистему именно юрского кораллового рифа, так как она сильно отличается и по видовому составу, и по палеогеографическим условиям от экосистем каменноугольных морей Центральной России (рис. 2). Таким образом, и конечный продукт – органогенные известняки – сильно отличаются друг от друга. А целью работы предусматривалось реконструировать органический мир, создавший породу, на примере двух разновозрастных и отличных по происхождению известняковых отложений России.
Рис. 2. Авторская реконструкция экосистемы кораллового рифа верхнеюрского периода мезозойской эры (акварель, карандаш, формат А3)
Таким образом, известняк сохранил и, благодаря техническому прогрессу, приумножил свою роль в жизнедеятельности человека. А по объему добычи известняки занимают одно из первых мест в мире среди всех полезных ископаемых.
С экологической точки зрения использование известняковых пород в хозяйственной деятельности неоднозначно. С одной стороны, продукты переработки известняка используются для охраны окружающей среды, например, для очистки сточных вод, топочных газов, нейтрализации бурового шлама (см. таблицу 1). С другой стороны, например, при переработке известняка для производства извести в атмосферу выбрасывается большое количество СО2, как во время технологического процесса, так и при сжигании топлива для нагрева. СО2 – это парниковый газ, непосредственно влияющий на глобальное изменение климата. А ведь ситуация такова, что, чтобы ограничить глобальное потепление до 1,5˚С, в этом столетии страны должны убрать из атмосферы Земли 1 триллион выбросов СО2 [1]. Еще недавно считалось, что сокращение выбросов спасет мир от глобального потепления. Методики удаления СО2 из атмосферы уже разрабатываются, в некоторых странах в небольшом количестве они уже введены в эксплуатацию.
Решение этой проблемы – одна из основных задач и будущих специалистов – геологов, инженеров, химиков. Но на сегодняшний день без использования известняка невозможны очень многие жизненно важные сферы хозяйственной деятельности.
Исследование и систематизация собранных образцов, изучение специальной литературы и экспозиций Государственного геологического музея им. В.И. Вернадского РАН подтвердило преимущественно органогенное происхождение известняковых отложений России. Были выполнены реконструкции двух разновозрастных и различных по содержанию породообразующих организмов экосистем, макет карьера по добыче известняка.
Нашей возможностью ездить по ровным дорогам, жить в комфортабельных многоэтажных домах мы обязаны морским организмам, жившим в далекие геологические эпохи, древним строителям современных мегаполисов!
Список литературы
1. Коннифер Р. Последняя надежда // В мире науки. Ежемесячный научно-информационный журнал. – 2019. – № 3.
2. Данукалова Г.А., Сорока И.Л., Стародубцева И.А. Палеонтология в таблицах и иллюстрациях. Из-во ООО «Акварель». – 2013. – 312 с.
3. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство извести, Москва Бюро НДТ, 2015. – 125 с.
4. Отраслевой портал о нерудных материалах, https://1nerudnyi.ru.
5. Официальный сайт ЗАО «Альма-Стоун», http://alma-stone.com.
6. Официальный сайт ЗАО «Касимовнеруд», http://kasimovnerud.ru.
7. Рич П.В., Рич Т.Х., Фентон М.А. Каменная книга. Летопись доисторической жизни. Пер. с англ. с дополнениями и изменениями. – М. : МАИК «Наука». – 1997. – 623 с.
8. Рычкова И.В., Рябчикова Э.Д. Палеонтология в таблицах: учебное пособие для учащихся Школы юного геолога. Из-во Томского политехнического университета. – 2015. – 134 с.
9. Ферсман А.Е. Занимательная минералогия. СПб. : ООО «Издательство Пальмира»; ООО «Книга по требованию». – 2017. – 255 с.
10. Гурвич Е.М. Геология в метро // Химия и жизнь. Научно-информационный журнал. –2004. – № 11.
11. «Энциклопедия для детей. Т. 4. Геология». Издательский центр «Аванта+». – 2000. – 688 с.
