XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Подземное царство застывших капель

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Кипарисова Е.Ю. 1

---

1МОУ "СОШ №44 имени С.Ф.Бароненко" Копейского городского округа

Бердникова О.Ю. 1

---

1МОУ "СОШ №44 имени С.Ф.Бароненко" Копейского городского округа

Работа в формате PDF

737.2 KB

ВВЕДЕНИЕ

Моя семья любит путешествовать. Осенью мы отправились в город Сочи, где побывали в Воронцовскойпещере. Там меня поразили сосульки, но не ледяные, а каменные. Экскурсовод сообщила, что некоторые из них образовались боле 100 тысяч лет назад. Называют их сталактитами. Что же такое сталактиты? Как и где и они образуются? Можно ли самому вырастить сталактит? Эти вопросы и легли в основу нашей работы.

Цель исследования: изучить процесс образования сталактитов и сталагмитов, опытным путем смоделировать процесс образования сталактитов в домашних условиях.

Задачи исследования: найти и проанализировать информацию о сталактитах и сталагмитах;провести опыты, моделирующие рост минеральных образований;проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: сталактиты и сталагмиты.

Предмет исследования:процесс образования сталактитов и сталагмитов.

Гипотеза: я предполагаю, что в домашних условиях можно вырастить кристаллический сталактит, имеющий внешнее сходство с природным сталактитом.

Методы исследования: изучение и анализ научно-популярной литературы и интернет - источников, консультация со специалистами, проведение опроса, эксперимент и наблюдение, сравнительный анализ собранных данных.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. 1. Что такое «сталактиты, сталагмиты, сталагнаты»?

Термин «сталактит» ввел в 1655 году датский натуралист Оле Вормом.

СТАЛАКТИТЫ  – минеральные образования, растущие в виде сосульки, трубочки или бахромы с потолка пещер.

СТАЛАГМИТЫ – это образования, которые растут снизу, с пола пещеры навстречу сталактитам.

СТАЛАГНАТ – колонна, которая образуется при срастании сталактита и сталагмита.

1. 2. Процесс образования сталактита

Сталактиты возникают в результате процесса, который называют карст (карстовый процесс). Карстовые процессы (карст) – это процессы растворения и размыва горных пород природными водами. 

Как же образуется сталактит внутри пещеры?

1. Дождевая вода просачивается через почву, обогащается углекислым газом (CO₂), превращаясь в слабый раствор угольной кислоты (H₂CO₃).

2.  Эта угольная кислота растворяет особый камень – известняк.

3. Вода с растворенным веществом просачивается в пещеру и повисает на потолке.

4. Начинается процесс кристаллизации: капелька воды висит, а потом испаряется. Крошечная частичка известняка (её называют кальцит) остаётся на потолке. Капля за каплей, год за годом эти частички нарастают и образуют трубочку, а потом и целую «сосульку» – это и есть сталактит.

Процесс образования сталагмита

Но не вся вода испаряется у потолка. Часть капель падает на пол пещеры. И там происходит то же самое: вода испаряется, а частички кальцита остаются на полу и начинают строить свой конус, растущий навстречу сталактиту. Это сталагмит

1.3 Виды сталактитов

В зависимости от состава горной породы сталактиты бывают:

Карбонатные сталактиты – в процессе образования участвуют известковые породы (известняк).

Соляные – строительным материалом выступают соляные породы, например, каменная соль. Встречаются реже, чем известковые сталактиты, так как образуются в пещерах-рудниках, на месторождениях минеральных солей.

Гипсовые сталактиты – возникают в результате натеков, содержащих гипс. Как и соляные встречаются редко. Образуются в пещерах, выработанных в гипсе.

Ледяные сталактиты – один из видов пещерного льда, образуются при затекании холодного воздуха в пещеру в зимний период.

Классификация по форме

Трубчатые ("макаронины") – очень тонкие (несколько миллиметров в диаметре), полые (пустые) внутри трубки. Могут достигать нескольких метров в длину.

Конический сталактит – это сталактит, имеющий форму конуса. Могут быть от нескольких сантиметров до многих метров в длину.

ВЫВОД: сталактиты образуются из разных пород — из извести, соли, гипса и даже льда; бывают разной формы, например, как тонкие трубочки или большие конусы.

1.4 От чего зависит цвет сталактита?

В «Зале природы и древней истории» Государственного исторического музея Южного Урала представлена богатая коллекция минералов и горных пород. Экскурсовод мне объяснил, чтоцвет сталактита зависит от породы, через которую просачивается вода:

• белый или сероватый: вода фильтруется через чистые известняковые породы (известняк);

• красный или коричневый: присутствуют примеси железа;

• зеленый или синий: встречается редко, связан с примесями меди или марганца;

• желтый: может быть вызван примесями железа, серы или глины.

• черный или темно-коричневый: высокое содержание марганца.

ВЫВОД:  цвет сталактита зависит от химического состава воды, которая его создала.

1. 5. Можно ли определить «возраст» сталактита?

Определение возраста сталактита – это сложная задача. Единого способа не существует, но ученые-спелеологи применяют несколько подходов. В работе рассмотрим самые доступные, которые мне понятны.

Прямое измерение скорости роста

Самый простой, хотя и неточный, — измерить молодой сталактит под искусственной постройкой, если известен год её создания. Например, под мостом, построенным 50 лет назад, вырос сталактит длиной 10 см. Значит, скорость роста — 2 мм в год.

Анализ слоистости

Если изучить срез сталактита под мощным микроскопом, можно увидеть тонкие-тонкие колечки (как у дерева). Светлый цвет соответствует зимнему периоду, а тёмный цвет – летнему. Колечко – это один год жизни. Проблема: колечки бывают очень тонкими и не всегда видны. Это не самый надежный способ.

Уран-ториевый метод

Это самый удивительный метод.

В воде, которая капает с потолка пещеры, есть уран.

Вот что происходит.

1. Капля воды с ураном застывает на кончике сталактита.

2. Уран внутри кристалла превращаться в другой элемент – торий. Это превращение происходит с постоянной скоростью, как тикают часы.

3. Через тысячи лет учёные могут приехать в пещеру, аккуратно взять маленький кусочек сталактита и посмотреть в специальный прибор.Они определяют: сколько осталось урана и сколько получилось тория. По этому соотношению они могут точно сказать, когда образовалась эта капля! Это самый точный способ узнать возраст.

ВЫВОД: сталактиты растут очень медленно, и для определения их возраста нужны специальные методы.

1.6 Сталактитовые пещеры Южного Урала.

На Южном Урале можно увидеть сталактиты, но это большая редкость и удача. Почему сталактиты на Южном Урале редкость?

Суровый климат. Для активного образования сталактитов нужна температура от +5 до + 15 градусов круглый год, чтобы вода могла постоянно просачиваться и осаждать кальцит. На Урале долгая зима и прохладное лето, что сильно замедляет этот процесс (он буквально "засыпает" на зиму).

Возраст пещер. Многие пещеры региона "старые" и "сухие". Вода, которая их создавала, ушла, и теперь в них нет постоянной влаги – главного "строительного материала" для сталактитов.

Человеческий фактор. К сожалению, в XX веке многие пещеры были разграблены. Красивые натёчные образования (сталактиты, сталагмиты) попросту выламывались на сувениры. Поэтому то, что росло тысячи лет, было уничтожено за один день.

Где именно можно увидеть сталактиты?

1. Капова пещера (заповедник «Шульган-Таш») находится в респубрике Башкортостан. Когда-то пещера была богата сталактитами и сталагмитами, но из-за массового туризма в прошлом веке многие из них были уничтожены. Здесь сохранились сталактиты, но главная ценность пещеры – древние наскальные рисунки. Пещера является заповедником, посещение строго по экскурсии. Сейчас образование натеков продолжается в дальних, закрытых для туристов залах.

2. Пещера Кургазак располагается в Саткинском районе. Зимой и весной в ближней части можно увидеть впечатляющие ледяные сталактиты и сталагмиты. Летом они тают, но в глубине есть и обычные, кальцитовые, хоть и не очень крупные. Пещера легкодоступна для посещения.

3. Игнатьевская пещера расположена на берегу реки Сим в Катав-Ивановском районе. Это одна из самых известных и почитаемых пещер Южного Урала. Она знаменита древними наскальными рисунками. В пещере есть небольшие сталактиты и сталагмиты, многие из них были повреждены посетителями.

4. Пещера Надежда находиться в Ашинском районе. Это одна из немногих пещер, где процесс образования натёков еще активно продолжается. Здесь можно найти молодые, хрупкие и продолжающие расти сталактиты.

Пещера состоит из нескольких залов, соединенных узкими проходами. Основные залы: зал «Грибов» – известен своими сталагмитами, похожими на грибы, зал «Сталактитов» – здесь можно увидеть множество небольших сталактитов.

5. Серпиевский пещерный град (включает в себя около 40 пещер). Место расположения Катав-Ивановский район, деревня Серпиевка. В нескольких пещерах можно найти небольшие, но живописные натёчные образования.

6. Кунгурская ледяная пещера – самая знаменитая пещера не только Урала, но и всей России. Она находится на Среднем Урале, недалеко от города Кунгур. Чем она уникальна: это одна из самых длинных пещер в мире (длина ходов около 6 км, для туристов открыто 1,5 км). Она ледяная! В ней много озер, а температура в некоторых гротах даже летом остается ниже нуля. Поэтому там растут не только каменные, но и самые ледяные сталактиты и сталагмиты.

[Электронный ресурс] https://nashural.ru/

ВЫВОД: путешествуя по Уралу, можно увидеть сталактиты и сталагмиты, но многие из них разрушены. В большинстве пещер нет активного образования наростов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Проведение опроса.

Прежде чем приступить к опытам, я решила выяснить, что знают о сталактитах ученики 3 «А» класса. В опросе приняли участие 28 человек.

Вопросы анкеты и результаты опроса представлены в диаграммах приложения.

ВЫВОД: большинство наших респондентов знают, что сталактиты растут в пещерах, их образуют вода и горные породы. Многие не догадываются, как медленно они растут. На вопрос, можно ли вырастить сталактит дома, мнения разделились. Большинство ребят думают, что это сложно, но возможно, а некоторые просто не знают ответа.

2.2 Исследование по выращиванию сталактитов в домашних условиях.

Выращивание сталактитов в домашних условиях – это увлекательный научный эксперимент. Однако следует понимать, что это не настоящие сталактиты (для их формирования нужны тысячи лет), а их химические аналоги, растущие в тысячи раз быстрее.

2.2.1 Опыты с пищевой содой и сульфатом магния

Цель: вырастить модель сталактитов из разных веществ и сравнить результаты.

Опыт №1 с пищевой содой

Что понадобится: две стеклянные банки (0,5 литра), пищевая сода (гидрокарбонат натрия), горячая вода (чем выше температура воды, тем лучше), прочная нитка, шерстяная пряжа или тонкий шнурок длиной около 30-40 см, два груза (чтобы привязать к концам нитки и опустить их в банки).

Плоское блюдце, куда будут стекать излишки раствора (это не обязательно, но поможет избежать беспорядка). Перчатки (необязательно, но руки будут пачкаться)

Ход проведения опыта:

1. Приготовили перенасыщенный содовый раствор, добавили пищевой краситель синий.

2. Установили "мостик": привязали грузики к обоим концам нитки. Опустили концы нитки с грузиками в банки так, чтобы они легли на дно.

3. Поставили банки на устойчивую поверхность и подложили блюдце в центр, под провисающую нитку. ВАЖНО: конструкция должна быть неподвижной, ее нельзя тревожить несколько дней.

4. Наблюдали за ростом.

5. Занесли данные в таблицу.

Таблица №1 «Опыт с пищевой содой»

Опыт №2 с сульфатом магния

Что понадобится: две стеклянные банки (0,5 литра), сульфат магния (MgSO₄) – он же английская соль или магнезия, горячая вода, прочная нитка, шерстяная пряжа или тонкий шнурок длиной около 30-40 см, два груза, пищевой краситель (по желанию, для создания цветных сталактитов).

Ход проведения опыта представлен в опыте с содой.

Данные занесли в таблицу №2 «Опыт с сульфатом магния»

Таблица № 2 «Опыт с сульфатом магния»

Для обобщения провели сравнительный анализ результатов, который представлен в таблице.

Таблица №3 « Сравнительные результаты экспериментов»

ВЫВОД: нам удалось вырастить сталактиты. Крупнее и прочнее оказался кристалл, выращенный из сульфата магния (английская соль). Он также показал более быстрый рост. Следовательно, скорость роста и размер искусственных сталактитов зависят от растворённого вещества.

2.2.2 Опыты «Влияние температуры и влажности на рост сталактита»

В литературе мы узнали, что скорость роста сталактита зависит от температуры и степени сырости в пещере, от толщины слоя известняка над пещерой и от количества воды, попадающей в пещеру.

Опыт №3 «Влияние влажности»

Цель: выяснить влияние влажности на рост сталактита.

Что понадобится: для проведения этого опыта нам потребуется оборудование и материалы из предыдущего опыта «Опыты с сульфатом магния».

Ход проведения опыта:

1. Подготовили раствор и разлили по банкам.

2. Установили "мостик - нитку.

3. Поставили банки на устойчивую поверхность. Первую конструкцию оставили в комнате на столе без увлажнителя («Сухая» конструкция), вторую конструкцию установили рядом с увлажнителем воздуха, накрытым тентом из полиэтилена («Влажная» конструкция»).

4. Наблюдали за ростом.

5. Занесли данные в таблицу

№ 4 «Влияние влажности на рост сталактита»

Результаты эксперимента

При проведении эксперимента конструкция с условным названием «Сухая» (при влажности воздуха 20%) и конструкция «Влажная» (при влажности 80%) показали следующие результаты:

в «Сухой» среде первые кристаллы начали появляться уже через 12 часов, тогда как во «Влажной» среде кристаллы не образовались — с нити просто капала вода;

средняя скорость роста кристаллов в «Сухой» конструкции составила 4-5 мм в сутки;

по своей форме кристаллы были плотными, с чёткими и хорошо выраженными гранями. Сама конструкция продемонстрировала высокую прочность.

Через три дня в «Сухой» конструкции был получен конечный результат — сталактит конической формы длиной около 15 мм.

Для «Влажной» конструкции соответствующие параметры (скорость роста, форма кристаллов, прочность и конечный результат) не были зафиксированы, так как образование кристаллов не произошло.

ВЫВОД: чем ниже влажность, тем быстрее испаряется вода, и быстрее образуются и растут соляные сталактиты.

Опыт №4 «Влияние температуры»

Цель: выяснить влияние температуры на рост сталактита

Ход проведения опыта:

1. Подготовили раствор с сульфатом магния и разлили по банкам.

2. Установили "мостик - нитку.

3. Первую конструкцию с сульфатом магния поставили в комнате на стол при температуре +24 °С, вторую конструкцию установили в холодной комнате при температуре + 5 °С. Влажность в комнатах была одинаковая – 20%.

4. Наблюдали за ростом.

5. Занесли данные в таблицу

Таблица № 5 «Влияние температуры на рост сталактита»

Результаты эксперимента

При температуре +5 °C («Холодная» конструкция) первые кристаллы появились через 12 часов. Их средняя скорость роста составляла 1-2 мм в сутки. Форма кристаллов была плотная, коническая, а сама конструкция получилась прочной. Через три дня был получен сталактит длиной примерно 7 мм, сохранивший коническую форму.

При температуре +24 °C («Теплая» конструкция) процесс шел быстрее: первые кристаллы образовались уже через 7 часов. Скорость их роста была значительно выше — 4-5 мм в сутки. Кристаллы также имели плотную коническую форму, и конструкция была прочной. Итоговый результат через три дня — сталактит длиной около 20 мм конической формы.

ВЫВОД: температура ускоряет рост соляного сталактита, так как вода быстрее испаряется.

2.2.3 Опыт № 5 «Выращивание сталагмита» (Приложение 13)

Цель: используя раствор ацетат натрия, смоделировать процесс образования сталагмита.

Для проведения этого опыта мы приобрели готовый набор «Горячий лед».

1. Приготовили раствор согласно инструкции.

2. Для того, чтобы запустить процесс кристаллизации, мы взяли 3 готовых кристаллика из набора, положили на тарелку.

3. Тарелку поставили на устойчивую поверхность.

4. Стали аккуратно капать приготовленный раствор на кристаллик.

5. Наблюдали за ростом.

ВЫВОД: используя готовый набор для химического опыта, мы смоделировали процесс образования сталагмита.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В ходе работы был изучен процесс образования сталактитов.

2. Экспериментально показан процесс образования сталактитов и сталагмитов.

3. Скорость роста, форма и размер искусственных сталактитов зависят от выбранного вещества. Наиболее эффективным и зрелищным реактивом оказался сульфат магния (английская соль).

4. На рост сталактита влияет влажность и температура.

Гипотеза подтвердилась: выращивание сталактитов в домашних условиях возможно путем создания модели природного процесса с использованием перенасыщенных растворов.

Своей работой я хотела показать, что самые удивительные тайны природы можно исследовать, понять и даже повторить. Было очень интересно из туриста превратиться в исследователя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ким А.И. Большая детская энциклопедия / А.И. Ким, В.В. Демыкин - М.: «РОСМЕН», 2000. - с. 136-137

2. Ожегов С.И. Словарь русского языка / С.И. Ожегов - М.: 1975. - с. 281, 701

3. Хочу всё знать. / Камни и минералы –М, Ридерз Дайджест, 2010-стр. 22

4. Энциклопедия для детей. // Геология. [Текст]:/ Энциклопедия – М: АВАНТА+, 1995.

5. Энциклопедия //Я хочу знать. Почему сталактиты растут сверху вниз? – М: МАХАОН, 2011.

Интернет – источники:

1. Галилео. Сталактиты

https://rutube.ru/video/caf1652165723d3cac8da2bb238468e4/

2. АЗН. География. Сталактиты и сталагмиты

https://dzen.ru/video/watch/65b76d870a0e6d0513b65a7e