XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование горных пород Северного Кавказа
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Летом 2020 года мне довелось побывать на Северном Кавказе. В этом регионе находятся плодороднейшие земли, важнейшие курорты и высочайшие вершины нашей страны. Путешествуя по горам и окрестностям, я находил необычные камни, которых не встретишь в нашей местности. Именно там мне пришла в голову идея собрать коллекцию самых необычных камней с Северного Кавказа.
Вернувшись домой, я решил определить названия и особенности моих находок. Это оказалось непростой, но очень увлекательной задачей. Для этого пришлось изучить геологическую летопись Кавказских гор, прочитать книги по минералогии, научиться пользоваться определителем минералов и горных пород, и даже посетить тематическую выставку в музее.
Полученные мной знания я применил при проведении данной исследовательской работы. В своей работе я хочу рассказать историю моей небольшой коллекции камней с Северного Кавказа. Я попытался проникнуть в мир камней, попытался заставить их разговаривать со мной, попытался постичь некоторые тайны природы. Мне кажется, что это у меня получилось.
Цель работы: исследование видов, состава и свойств горных пород.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
изучение литературы по горным породам и геологии Кавказа;
описание и классификация найденных горных пород;
описание мест, где были найдены горные породы;
проведение экспериментов по определению состава и свойств найденных горных пород;
создание рельефной модели Северного Кавказа с оформлением коллекции горных пород.
1 Информация о минералах и горных породах
Из литературы мне стало известно, что то, что мы называем камнями, относится либо к минералам, либо к горным породам. Разница кроется в следующих определениях:
камень – это всякая твёрдая нековкая составная часть земной коры в виде сплошной массы или отдельных кусков;
минерал – это вещество природного происхождения, представляющее собой химический элемент или соединение нескольких элементов;
горная порода – это вещество природного происхождения, представляющее собой сочетание минералов.
Таким образом, минералы являются основой всех горных пород. В настоящее время известно более 3000 минералов. Всё многообразие минералов подразделяется на классы на основе их химического состава (самородные элементы, сульфиды, галогениды, оксиды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты). Наука, изучающая минералы, называется минералогией.
Горные породы представляют собой связанную группу минералов, образовавшуюся при определенных геологических процессах. Они делятся на три группы: осадочные породы (образованные путём отложения материала разрушенных пород), магматические породы (образованные при охлаждении расплавленной магмы вулканов), и метаморфические породы (образованные в результате преобразования других пород под воздействием высоких давлений и температур). Наука, изучающая горные породы, называется петрологией.
2 Геологическая летопись Кавказа
Кавказские горы имеют сложное геологическое строение и долгую историю развития. Здесь можно встретить горные породы всех возрастов – от древнейших докембрийских, образовавшихся в период зарождения жизни на Земле, до пород четвертичного периода, свидетелем образования которых был человек. И именно каменные находки могут нам рассказать историю Кавказа.
Сейчас сложно поверить, что на месте Кавказских гор более трёхсот миллионов лет назад плескались воды древнего океана Тетиса. Это подтверждается одной находкой, сделанной мной во время экскурсии по Чегемскому ущелью – отпечатком ракушки моллюска в горной породе (см. рисунок 1 в приложении). В этот период образовалось много осадочных горных пород, таких как песчаник, известняк, доломит.
Затем на стыке палеозойской и мезозойской эры в результате сближения литосферных плит произошло поднятие горных пород. Так образовались горные хребты Кавказа. Столкновение плит сопровождалось большими давлением и температурами, в результате чего образовались метаморфические горные породы, такие как слюдяные сланцы, кварциты, мрамор.
Ну а ещё позднее, семь миллионов лет назад, резко усилился вулканизм Кавказских гор. В это время образовались обширные вулканические покровы из лав и продуктов извержений. Благодаря этому мы находим сейчас магматические горные породы, такие как андезит, обсидиан, гранит. Но нужно сказать, что вулканическая деятельность на Кавказе не закончена. Эльбрус является не только самой высокой горой России, но и спящим вулканом. Последнее его извержение произошло около тысячи лет назад. И кто знает, когда будет следующее?
3 Классификация найденных минералов и горных пород
На Северном Кавказе я побывал на многих горных вершинах и посетил многие природные достопримечательности. Если просто пройти мимо каких-то скальных пород или обвалившейся кучки камней, то впечатлений о прогулке будет не очень много. Но если остановиться перед ними и внимательно их рассмотреть, то перед вами откроются тайны миллионов лет до нашей эры. Хочу рассказать об этих необычных местах, и о минералах, которые я там нашёл.
Сначала я посетил гору Бештау вблизи Пятигорска. Одной из самых распространённых горных пород на Бештау является глинистый сланец. Она образована превращением глины и известняка под воздействием воды и относится к классу метаморфических. Её образование происходило в период палеогена 66 миллионов лет назад.
Также на Бештау мне встретился известняк. Это свидетель процессов, происходящих в меловом периоде 145 миллионов лет назад. Известняк – это осадочная горная порода, состоящая в основном из минерала кальцита. Найденный мной образец имел узоры. Сначала я думал, что это отпечатки древних растений. Но позже я узнал, что это дендриты – сложнокристаллические образования древовидной формы (см. рисунок 2 в приложении). Дендриты встречаются на поверхности горных пород вдоль тонких трещин. Обычно это кристаллы самородных металлов или гидроксида марганца.
Следующим пунктом моего путешествия стали горы Машук и Горячая в Пятигорске. Гора Машук известна тем, что на её южном склоне расположено озеро Провал. К озеру ведёт вырубленный в горной породе тоннель, который заканчивается подземной пещерой. В тоннеле и в пещере хорошо видно строение горы, состоящей из тёмно-серого мергеля, образовавшегося в период палеогена 30 миллионов лет назад. Мергель – это осадочная горная порода, состоящая из кальцита и глинистых минералов.
Таких гор, как гора Горячая, немного на нашей планете, так как её создали горячие минеральные источники. Она состоит из светлой пористой горной породы – травертина. Это осадочная порода, возникшая из элементов минеральных вод, стекающих с горы Машук. Формирование горы Горячая произошло в четвертичном периоде около 25 тысяч лет назад. Основной элемент травертина – карбонат кальция.
Далее путь лежал в город Железноводск, где я совершил пешую прогулку вокруг загадочной горы Развалка. Эта гора возникла на заре четвертичного периода (три миллиона лет назад) и примечательна двумя пещерами. Первая – пещера первобытного человека, была обитаема нашими предками шесть тысяч лет назад. Я не нашёл в ней археологических ценностей, зато обнаружил трахит. Трахит – это магматическая вулканическая горная порода, состоящая из полевого шпата с примесью цветных минералов: биотита и пироксена. Вторая пещера была пробита в горе геологами 70 лет назад для изучения явления вечной мерзлоты. В этой пещере температура постоянна и составляет 0°С не зависимо от температуры наружного воздуха. Из пещеры я вышел хоть и замёрзший, но с образцом магматической горной породы – бештаунитом (см. рисунок 3 в приложении). Он имеет схожий с трахитом состав с вкраплениями кварца.
Следующей точкой моего путешествия был город Кисловодск и местная природная достопримечательность – Красные камни. Оказалось, что это скала из осадочной горной породы – песчаника. Образовалась она в меловом периоде 125 миллионов лет назад в результате тектонических смещений морского дна Красный цвет камней говорит о том, что они ожелезнены минеральными водами.
Затем двигаемся в Чегемское ущелье, представляющее собой каменный мешок с высокими отвесными скалами при ширине между ними не более 15 метров. В данной местности горы сложены из доломита – осадочной горной породы. Доломит состоит из минерала доломита с примесью кальцита. Формирование осадочных доломитов относится к пермскому периоду (280 миллионов лет назад).
Далее путь лежал в высокогорное село Верхняя Балкария. Здесь сохранились древние оборонительные башни и традиционные балкарские поселения – сакли. Их делали из распространённого в данной местности гранита. Гранит является магматической горной породой, сложенной из кварца, полевого шпата и слюды. Его появление здесь произошло в конце юрского – начале мелового периодов – 150 миллионов лет назад.
Заключительной точкой моего маршрута было Приэльбрусье. Этот район богат полезными ископаемыми и геологическими находками. Здесь я нашёл флюорит – минерал из класса галогенидов, представляющий из себя соединение фтора с кальцием. Возникновение флюоритов на Кавказе происходило в период палеогена – 35 миллионов лет назад.
Гора Чегет усеяна блестящими слюдяными сланцами. Эта метаморфи-ческая горная порода была образована 350 миллионов лет назад в карбоновом периоде. В её состав входят слюда и кварц.
Ну и наконец – самая высокая гора России и Европы – Эльбрус. Его высота составляет 5642 метра, но канатная дорога доставляет туристов лишь на высоту 3500 метров. Даже на такой высоте ощущались симптомы горной болезни (нехватка кислорода, непривычное давление). Но открывшийся пейзаж заставил забыть о неприятных ощущениях. С Эльбруса я привёз «камни счастья» – застывшую вулканическую лаву. Это магматическая горная порода андезит, возникшая в четвертичный период около 2 миллионов лет назад, в состав которой входят плагиоклаз, роговая обманка и вулканическое стекло.
4 Определение физических свойств горных пород
Правильность определения названий горных пород я решил подтвердить определением их физических свойств. Были определены несколько характеристик, которые необходимо проверить опытным путём: плотность, твёрдость и спайность.
Плотность вещества показывает, насколько тесно (плотно) расположены в нём атомы: чем вещество плотнее, тем оно тяжелее. Чтобы определить плотность вещества, надо массу тела разделить на его объем. Для измерения плотности горных пород я провёл следующий опыт:
взвесил камень на электронных кухонных весах и получил его массу;
налил воды в мерный стакан до отметки «100 г», поместил в него камень, определил полученное значение уровня воды;
определил объём камня, высчитав разницу между полученным уровнем воды и уровнем «100 г»;
рассчитал на калькуляторе плотность, разделив массу на объём (единица измерения – г/см3).
Под твердостью горной породы понимается его сопротивление механическому воздействию более прочного тела. Для определения твёрдости горных пород я пробовал царапать их различными предметами и определял балл по шкале Мооса (см. рисунок 4 в приложении).
Спайность – это способность горной породы разрушаться по определенным кристаллографическим плоскостям. Для её определения я раскалывал горную породу молотком, рассматривал излом и оценивал его характеристику по критериям (см. рисунок 5 в приложении):
Результаты определения свойств я внёс в таблицу (см. таблицу 1) и сравнил их со справочными данными. Все полученные значения соответствовали (некоторые были очень близки) значениям в справочной литературе. Таким образом, можно сделать вывод о том, что найденные мной горные породы были правильно классифицированы.
Таблица 1 – Результаты определения физических свойств горных пород
|
Название |
Плотность, г/см3 |
Твёрдость по шкале Мооса |
Степень спайности |
|
Андезит |
2,5 |
4 |
совершенная |
|
Бештаунит |
2,4 |
7 |
средняя |
|
Гранит |
2,7 |
6 |
совершенная |
|
Доломит |
2,6 |
4 |
совершенная |
|
Известняк |
2,3 |
3 |
совершенная |
|
Мергель |
2,3 |
5 |
совершенная |
|
Песчаник |
1,9 |
1 |
совершенная |
|
Сланец глинистый |
2,6 |
4 |
весьма совершенная |
|
Сланец слюдяной |
4,1 |
2 |
весьма совершенная |
|
Травертин |
2,0 |
4 |
несовершенная |
|
Трахит |
1,9 |
6 |
средняя |
|
Флюорит |
2,9 |
4 |
совершенная |
Дополнительно я провёл три химических опыта для подтверждения характерных свойств некоторых горных пород:
В первом опыте я проверил явление свечения флюорита при нагревании. Это явление называется термолюминесценция. Я нагревал флюорит в пламени сухого горючего, после чего он некоторое время светился фиолетовым светом (см. рисунок 6 в приложении). Однако при проведении опыта следует быть осторожным, так как минерал начинает трескаться и разбрасывает мелкие раскаленные кусочки.
Во втором опыте я выращивал дендриты меди в результате взаимодействия медного купороса с солью. На дно стеклянной банки был насыпан слой медного купороса высотой 2 см и слой поваренной соли высотой 5 см. Поверх соли через толстый слой туалетной бумаги были положены металлические предметы (проволока, гвозди, шурупы и т.п.). После этого банка была заполнена насыщенным раствором поваренной соли, закрыта крышкой и поставлена на хранение. Через несколько дней на стенках банки стали появляться кристаллы меди, которые впоследствии превратились в красивые ветвистые дендриты (см. рисунок 7 в приложении).
В третьем опыте я проверял наличие в доломите минералов карбонатного типа. Горная порода была помещена в раствор серной кислоты, после чего началось точечное выделение углекислого газа в виде пузырьков (см. рисунок 8 в приложении). Через 48 часов после начала опыта выделение газа прекратилось. Достав горную породу из ёмкости я обнаружил, что её поверхность теперь покрыта кавернами (большие поры), возникшими после растворения минералов кальцита.
5 Создание геохронологической шкалы и оформление коллекции горных пород
В геологии календарь истории Земли принято изображать в виде геохронологической шкалы, где вместо месяцев указываются эры, а вместо дней – периоды развития нашей планеты. Исходя из полученных в ходе исследования данных я решил составить геохронологическую шкалу и расположить на ней свои геологические находки. Шкала охватывает фанерозойский отрезок времени геологической истории, начавшийся около 500 миллионов лет назад и продолжающийся сейчас. На этой шкале были размещены горные породы, начиная с самой древней (слюдяной сланец) и оканчивая самой молодой (травертин). В результате получилась краткая история гор Северного Кавказа, показанная на шкале времени (см. рисунок 9 в приложении).
Свою коллекцию горных пород я решил необычно оформить. Мне не хотелось делать скучную коллекцию или склад камней в коробках. Поэтому пришла идея объединить в моей коллекции информацию с названиями горных пород и мест их добычи. В результате мы с родителями сделали следующее (см. рисунок 10 в приложении):
на фанере при помощи монтажной пены создали рельефную модель Северного Кавказа;
красками придали модели натуральный природный вид;
подписали названия гор и других природных объектов;
по периметру модели разместили и укрепили горные породы;
подписали названия горных пород и мест их находки.
Таким образом, у меня получилось хоть и небольшое, но интересное минералогическое собрание. В будущем я решил не ограничиваться оформлением только данной коллекции. Ведь Земля таит в своих недрах и на поверхности ещё очень много неразгаданных минералогических тайн.
Заключение
После выполнения данной исследовательской работы я понял, что делать свои маленькие минералогические открытия можно буквально на каждом шагу. Ведь минералы и горные породы окружают нас повсюду. Мы ходим по минералам, строим из минералов, обрабатываем минералы на заводах, создаем приборы и изделия из минералов, широко применяем минералы в науке и технике, проникаем в тайны строения минералов, едим минералы, лечимся минералами. Можно смело утверждать, что без минералов немыслим современный мир.
Даже территория Ярославской области покрыта толщей осадочных горных пород. Самые распространенные горные породы нашей местности – песок и глина. На берегах рек нередко попадается мергель. Среди валунов и гальки мы можем встретить известняк, гранит и кремень.
Для того чтобы не нарушить баланс процессов в природе, человек должен охранять не только живую, но и неживую природу, к которой относятся минералогические богатства Земли. Для этого необходимо рационально использовать природные ресурсы, применять усовершенствованную технику для их добычи, сохранять окружающую месторождения природу в том виде, в каком она была до начала разработок.
Особенно нужно охранять от воздействия человека такие природные достопримечательности, как Кавказские горы. Если защитить их от разрушения, снабдить информационными стендами и организовать соответствующие удобства (транспорт, питание и отдых), то сюда, в настоящий музей под открытым небом, можно водить экскурсии. И тогда каждый посетитель сможет взять с собой обломок горной породы и гордо хранить у себя память о Кавказских горах, рассказывая всем про возраст этого самого камня, исчисляемый миллионами лет.
В завершение мне хотелось бы привести стихотворение минеролога Виктора Слётова. Эти строки очень точно отражают в себе основную мысль проведённого исследования и послужат эпиграфом выполненной работы.
«Полезно камни наблюдать,
Над ними можно размышлять,
Ценней же прочего – желанье
Законы жизни их понять.
Прочесть сокрытые в них тайны,
Что им присуще, что – случайно.
И поделиться, рассказать,
О том, что удалось узнать».
Список источников
Ферсман А.Е. «Занимательная минералогия» – Издательство «Пальмира, 2016.
Васильева Н.Н. «Минералогия и петрография» Учебно-практическое пособие – Издательство Южно-Уральского государственного гуманитарно-педагогического университета, 2017.
Потапенко Ю.Я. «Геологические маршруты в Приэльбрусье». Учебное пособие – Карачаевск, 2002.
Дудин С.А. «Атлас-определитель главных минералов и горных пород» – «Издательские решения», 2016.
Ананьева Л.Г. «Определитель минералов и горных пород». Учебное пособие для учащихся школы юного геолога – Издательство Томского политехнического университета, 2017.
Юбельт Р. «Определитель минералов» − Издательство «Мир», 1978.
Материалы с сайта www.geo.opensochi.org (документ «Минералы и горные породы Западного Кавказа»)
Материалы с сайта www.webmineral.ru
Материалы с сайта www.rockref.vsegei.ru/petro/pages/list_rocks.htm
Материалы с сайта www.chemistry-chemists.com (официальный сайт журнала «Химия и Химики»).
Приложения
Рисунок 1 – Фотография отпечатка ракушки в горной породе
Рисунок 2 – Фотография дендритов на известняке
Рисунок 3 – Фотография пещеры вечной мерзлоты в горе Развалка
Рисунок 4 – Шкала Мооса для определения твёрдости горных пород
Рисунок 5 – Критерии определения спайности горных пород
Рисунок 6 – Опыт для подтверждения явления
термолюминесценции минерала флюорита
Рисунок 7 – Опыт для подтверждения явления
роста дендритов на поверхности горных пород
Рисунок 8 – Опыт для подтверждения наличия
в доломите минералов карбонатного типа
Рисунок 9 – Геохронологическая шкала
Рисунок 10 – Рельефная модель Северного Кавказа