استالاکتیت: قندیلهای آویزان از سقف غار
استالاکتیت چیست و چگونه متولد میشود؟
واژه استالاکتیت[1] از یک کلمه یونانی به معنای «چکیدن» گرفته شده است. این قندیلهای سنگی زیبا، زمانی تشکیل میشوند که آب از میان شکافهای سقف یک غار آهکی نفوذ میکند. اما این آب، فقط آب معمولی نیست. این آبهای زیرزمینی پیش از رسیدن به سقف غار، از میان لایههای سنگ آهک و خاک عبور کرده و مقداری گاز دیاکسیدکربن را جذب میکنند. این ترکیب، یک اسید ضعیف به نام اسید کربنیک[2] میسازد.
اسید کربنیک قادر است کانی کلسیم کربنات[3] (سنگ آهک) موجود در سقف غار را در خود حل کند و یک محلول غنی از بیکربنات کلسیم[4] ایجاد نماید. وقتی این قطره آب غنیشده به داخل فضای غار میچکد، شرایط تغییر میکند. هوای غار معمولاً غلظت کمتری از دیاکسیدکربن دارد. این تغییر فشار گاز باعث میشود تا دیاکسیدکربن از محلول خارج شود و کلسیم کربنات نامحلول دوباره رسوب کند. این فرآیند را میتوان در یک معادله ساده شیمیایی خلاصه کرد:
$ CaCO_3 (جامد) + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2HCO_3^{-} (محلول) $
در سقف غار (محیط اسیدی)، سنگ آهک حل میشود (واکنش به راست). در فضای غار، با خروج $ CO_2 $، واکنش معکوس شده و کلسیم کربنات دوباره جامد میشود و رسوب میکند.
هر قطره آب که از سقف میچکد، مقدار بسیار اندکی (معمولاً کمتر از 0.1 گرم) کلسیم کربنات به جا میگذارد. این فرآیند بارها و بارها در یک نقطه تکرار میشود و به آرامی یک لوله توخالی بسیار باریک به نام لوله نوش ایجاد میکند. با گذشت زمان، این لوله ممکن است مسدود شده و استالاکتیت ضخیم و مخروطی شکل رشد کند. سرعت رشد آن بسیار کند است و بین 0.1 تا 1 میلیمتر در سال متغیر است. یک استالاکتیت یک متری ممکن است بین 1000 تا 10000 سال سن داشته باشد!
انواع و اشکال گوناگون استالاکتیتها
همه استالاکتیتها شکل مخروطی ساده ندارند. شرایط مختلف محیطی مانند جهت جریان آب، ترکیب شیمیایی متفاوت آب و سرعت چکیدن قطرات، باعث ایجاد اشکال متنوع و گاهی عجیبی میشود. در جدول زیر برخی از انواع رایج آنها معرفی شدهاند:
| نوع استالاکتیت | ویژگیهای شکل و ساختار | شرایط تشکیل |
|---|---|---|
| استالاکتیت لولهای (سودا) | لولهای بسیار نازک، بلند و توخالی شبیه نی نوشیدنی. دیوارهای به ضخامت یک مولکول آب دارد! | چکش مداوم آب از یک شکاف بسیار باریک بدون تبخیر سریع. |
| استالاکتیت مخروطی کلاسیک | شکل مخروطی نوکتیز و توپر که بیشتر مردم با آن آشنا هستند. | پس از بسته شدن لوله اولیه، رسوب در اطراف مرکز متمرکز میشود. |
| استالاکتیت پیچیده | دارای انشعاب، پیچ و تاب و شکلهای مارپیچی یا کج. | تغییر در مسیر جریان هوا یا آب، یا وجود ناخالصی در آب. |
| پردهای یا آبشاری | ورقههای نازک و شفاف آهکی که شبیه پرده یا آبشار منجمد هستند. | جریان یک لایه نازک آب بر روی دیواره یا سقف، به جای چکیدن قطرهای. |
رابطه استالاکتیت با استالاگمیت و ستونهای غاری
داستان تشکیل این سازههای غاری تنها در سقف تمام نمیشود. قطره آبی که از استالاکتیت میچکد و به کف غار برخورد میکند، باز هم مقداری کلسیم کربنات دارد. این ماده در محل برخورد با زمین رسوب کرده و شروع به رشد به سمت بالا میکند. به این سازه که از کف غار به سمت بالا رشد میکند، استالاگمیت[5] میگویند. استالاگمیتها معمولاً کوتاهتر، ضخیمتر و نوک صافتری نسبت به استالاکتیتها دارند.
با گذشت زمان بسیار طولانی، ممکن است استالاکتیت و استالاگمیت روبروی هم آنقدر رشد کنند که به هم بپیوندند و یک ستون سنگی پیوسته به نام ستون غاری یا پیلار تشکیل دهند. این ستونها میتوانند استحکام سقف غار را افزایش دهند. رشد این سه سازه را میتوان در یک مدل ساده در نظر گرفت:
استالاکتیتها: آرشیو تاریخ زمین و شاخص آلودگی
استالاکتیتها فقط اشیای زیبا و عجیب نیستند، بلکه مانند حلقههای درخت، حاوی صفحات تاریخی از شرایط محیطی گذشته هستند. دانشمندان زمینشناس با بررسی لایههای تشکیلدهنده یک استالاکتیت (علم اسپلوئوکرونولوژی) میتوانند به اطلاعات ارزشمندی دست یابند.
به عنوان مثال، با تجزیهایزوتوپهای عناصر اکسیژن و کربن موجود در لایههای کلسیم کربنات، میتوان دمای هوا و میزان بارش در هزاران سال پیش را تخمین زد. همچنین، ناخالصیهایی مانند فلزات سنگین یا ذرات گرد و غبار که در طول زمان در آب حل شده و در ساختار استالاکتیت به دام افتادهاند، میتوانند شواهدی از رویدادهایی مانند فوران آتشفشانهای باستانی یا حتی آغاز فعالیتهای صنعتی انسان را ثبت کنند. بنابراین، استالاکتیتها به عنوان یک طبیعتنگار عمل میکنند.
آزمایش ساده: رشد یک استالاکتیت مصنوعی
شما میتوانید اصل فرآیند تشکیل استالاکتیت را در خانه یا مدرسه با یک آزمایش ساده شبیهسازی کنید. این آزمایش نیاز به نظارت یک بزرگتر دارد.
مواد مورد نیاز: دو لیوان شیشهای، مقداری جوششیرین (سدیم بیکربنات)، آب گرم، یک بشقاب، یک نخ پشمی بلند (حدود 30 سانتیمتر).
روش کار:
- دو لیوان را کنار هم و روی یک سطح صاف قرار دهید.
- در هر دو لیوان، آب گرم بریزید و آنقدر جوششیرین اضافه کنید تا دیگر حل نشود (یک محلول فوقاشباع بسازید).
- نخ پشمی را به شکل U وارونه درآورید به طوری که دو سر آن درون لیوانها و قسمت میانی آن بین دو لیوان، کمی آویزان باشد.
- بشقاب را زیر قسمت آویزان نخ قرار دهید.
- صبر کنید (چند ساعت تا یک روز). محلول از طریق عمل مویینگی در طول نخ بالا میآید. وقتی به پایینترین نقطهٔ نخ (مرکز U) رسید، شروع به چکیدن روی بشقاب میکند. با تبخیر آب، جوششیرین (که مانند کلسیم کربنات رفتار میکند) رسوب کرده و به تدریج یک استالاکتیت و سپس یک استالاگمیت مصنوعی روی بشقاب و روی نخ تشکیل میشود!
این آزمایش به خوبی نشان میدهد که چگونه یک محلول میتواند از یک مسیر بالا رفته، سپس چکیده و با تبخیر یا تغییر شرایط، مواد جامد را به جا بگذارد.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاورقی
[1] Stalactite (استالاکتیت)
[2] Carbonic Acid (اسید کربنیک): اسیدی ضعیف با فرمول $ H_2CO_3 $ که از حل شدن دیاکسیدکربن در آب تشکیل میشود.
[3] Calcium Carbonate (کلسیم کربنات): کانی اصلی تشکیلدهنده سنگ آهک، مرمر و تراورتن. فرمول شیمیایی آن $ CaCO_3 $ است.
[4] Calcium Bicarbonate (بیکربنات کلسیم): فرم محلول کلسیم کربنات در آب اسیدی. فرمول آن $ Ca(HCO_3)_2 $ است.
[5] Stalagmite (استالاگمیت): سازههای مخروطیشکلی که از کف غار به سمت بالا رشد میکنند.
[6] Speleochronology (اسپلوئوکرونولوژی): علم مطالعه گاهنگاری غارها از طریق بررسی لایههای رسوبی مانند استالاکتیتها و استالاگمیتها.
