Стеклосодержащие породы на Земле встречаются достаточно часто, об одних из них — вулканических — знают все. Другие — те, что находят в метеоритных кратерах, известны немногим. И еще меньше людей знают о существовании стеклосодержащих пород рукотворного происхождения, встречающихся в разных регионах Земли.
Витрифицированные породы
Рис. 1. Деревянная конструкция, которую могли использовать для отжига при образовании витрифицированных пород. Приведено по материалам Э. Д. МартинезаПемзы — стекловатые породы различной пористости. Они могут иметь различный генезис: вулканический, импактный (если образовались в результате соударения метеорита с поверхностью Земли), возникшие в результате попадания молнии в породы земной коры (фульгуриты). Но встречаются они и в виде фрагментов древних оборонительных сооружений. Пемзы цементируют обломки пород, взятых поблизости. Если такое укрепление разрушилось, то осколки пемз — единственные свидетели его былого существования. Эти породы образовались в результате деятельности человека, чаще всего в очень далеком прошлом — в позднем бронзовом веке (XII–VIII вв. до н. э.). Они представляют собой стекловатые породы (макроскопически похожие на вулканические). В европейской литературе принят термин витрифицированные (от латинского vitrum — ‘стекло’ и facio — ‘превращаю’) форты. Первые их описания появились 220 лет назад. Изучением витрифицированных пород занимались шведский петролог П. Кристен и испанский геолог Э. Д. Мартинез. На сегодняшний день в Европе известно более 200 витрифицированных фортов [1]. В русскоязычной литературе информации по таким породам практически нет, и фрагментов древних остеклованных укреплений в России не найдено.
Наиболее часто стекловатые породы витрифицированных укреплений представлены пемзами, полученными в результате плавления пород в специально построенных из бревен деревянных сооружениях (рис. 1). Плавление или тепловая переработка производились на месте с использованием в качестве сырья окружающих пород. Создавались целые стены укреплений из частично или полностью переплавленных пород (рис. 2, 3). Каменный материал для доисторических сооружений определялся теми породами, которые были распространены на месте будущих укреплений. Это граниты, диориты, амфиболиты, гнейсы и др. Отсюда и уникальность состава расплавов витрифицированных пород.
Рис. 2. Остатки витрифицированных фортов в Шотландии. Слева — стены замка Даннидир, сложенные из частично расплавленного диорита и блоков переплавленного амфиболита. Справа — форт Тап-о-Нос, расположенный на вершине холмаНа рис. 2 показан один из самых больших витрифицированных фортов Шотландии — Теп-о-Нос, длина которого 563 м. Чаще всего размер подобных руин составляет от нескольких десятков до полутора сотен метров. Для создания таких конструкций прогрев должен идти длительное время — до целых суток. В качестве топлива для витрификации использовали древесный уголь или торф. Возможно, для увеличения температуры плавления производился и дополнительный поддув с помощью мехов.
В сохранившихся фрагментах стен иногда хорошо видны обломки пород, сцементированные когда-то расплавным материалом, застывшим теперь в виде пемзы (рис. 3).
Рис. 3. Витрифицированное укрепление Сент-Сюзан на северо-западе Франции. Участок стены, сложенный обломками пород, которые сцементированы пемзой. Хорошо видны неизмененные обломки исходных пород и пористый стекловатый материал (пемза), образующийся при витрификации. Фото: en.wikipedia.orgХарактерная черта некоторых обломков стекловатых пород — отпечатки угля на их поверхности (рис. 4). В пемзах витрифицированного форта Броборга (Швеция) обнаружены обломки угля, служившего топливом для плавления метаморфических пород (амфиболитов и гранито-гнейсов), распространенных в районе укрепления. Остатки угля (или его отпечатки) сохраняются не только в витрифицированных породах, но и в импактитах (см. рис. 3). Так, в Логойском метеоритном кратере диаметром 17 км (Беларусь) найдены куски бурого угля, представляющего собой следы растительности, которая существовала на поверхности Земли в момент ударного события (в данном случае, это около 30 млн лет назад).
Рис. 4. Отпечатки угля на поверхности пемз витрифицированного укрепления Пассо Альто в Португалии (слева) и пемз импактных выбросов Эль-Гаско в Испании. Фото Э. Д. МартинезаБольшинство конструкций витрифицированных фортов (82 подтвержденных и описанных) найдено в Шотландии. Встречаются они и в Германии, Португалии, Словакии, Франции, Чехии и Швеции. Несколько витрифицированных фортов найдено в Англии и Ирландии. В некоторых доисторических укреплениях (например, в Броборге) витрификация наблюдается только с внутренней стороны стены и проходит на глубину 40 см, при этом пемзовидным материалом скрепляются блоки гранито-гнейсов и амфиболитов, и сооружение оказывается заглубленным на 40–70 см. Температура образования таких пемз составляет 1060–1075°С [2].
Для строительства замка Даннидир (Шотландия), расположенного на вершине холма (см. рис. 2), частично использовались блоки пород доисторического витрифицированного форта, который датируется 560 г. до н. э. [3]
Как различить пемзы разного генезиса?
Отличить вулканическую пемзу от импактной или пемзы витрифицированных укреплений в отдельных образцах невозможно. Только изучая форму обнажений, их геологическое положение или используя специальные методы исследования вещества, удается пролить свет на их происхождение. Пемзы различного генезиса имеют ряд петрологических особенностей, и опытному петрологу не составит труда их идентифицировать. Так, пемзы витрифицированных фортов образуются на месте, без перемещения и течения расплава, и часто сохраняют текстуру материнских пород. Например, пемзы из витрифицированного форта Пассо Альто (Португалия) обладают полосчатой и плойчатой текстурой слюдистых сланцев, по которым они образовались (рис. 5).
Рис. 5. Микрофотографии витрифицированных пород Пассо Альто. Слева — слюдистый сланец, справа — пемзы. Видно, как сохраняется полосчатая текстура породы при ее витрификации. Николи скрещеныОстывание витрифицированных пород происходит в условиях достаточно быстрого охлаждения, и кристаллизующиеся из расплава минералы чаще всего имеют скелетные или дендритовые формы кристаллов (рис. 6).
Рис. 6. Кристаллизация скелетных кристаллов шпинели в пемзе витрифицированного форта Пассо Альто. В краевой части фото слева видна кристаллизация частично оплавленного при витрификации кварца. Кристаллизация шпинели в виде скелетных кристаллов — следствие очень быстрого охлаждения расплава. Фото в обратно рассеянных электронахПри изучении состава* и структуры стекол специальными методами обнаруживаются четкие отличия между импактными, вулканическими и стеклами витрифицированных пород [4]. Это обусловлено различными температурами и давлениями, при которых они возникают (рис. 7). Так, метод малоуглового рассеяния позволяет фиксировать неоднородности структуры стекол размером 1,2–2 нм, т. е. отвечающие группировке всего нескольких тетраэдров. Соответственно, стекла различного происхождения имеют поля структурных особенностей, которые показаны на рис. 7, что позволяет применять метод малоуглового рассеяния при изучении стекол неясного генезиса.
Истории пемз витрифицированных фортов
Пассо Альто. Вытянутое, похожее на остатки стены обнажение пемз расположено на вершине холма в юго-западной части Португалии, около Вила Верде де Фикалхо. Плавились тонко-среднезернистые слюдяные сланцы с плойчатой текстурой, образованной при тектонических деформациях в течение позднего палеозоя. Различные участки обнажения подвергались остеклованию неравномерно.
Рис. 7. Соотношение радиуса микронеоднородностей и интенсивности малоуглового рассеяния для импактных (1) и вулканических стекол (2) и стекол витрифицированных фортов (3). График показывает структурные особенности стекол различного генезиса [4, с добавлениями]В витрифицированных пемзах сохранилась плойчатость исходных пород — светлоокрашенные участки кварца переслаиваются с пористым плавленым материалом (см. рис. 5). Составы образовавшихся стекол близки к составу темноцветных минералов слюдистых сланцев. Порода плавилась не полностью (инконгруентное плавление), в расплав уходили слюды, хлорит, полевые шпаты, а кварц и акцессорные (редкие) минералы практически оставались незатронутыми. Интересно, что минералы, кристаллизующиеся при быстром остывании пемз, — шпинель MgAl
2O
4 и меллилит Ca
2(Mg,Al)(Si,Al)
2O
7 — обогащены элементами, которые редко содержатся в их составе: фосфором (до 3%) и калием. Эти элементы могли накапливаться при сжигании больших количеств древесины.
После обсуждения в научной литературе было признано, что данное обнажение — витрифицированный форт [5, 6].
Эль-Гаско. Некоторые обнажения пемз, геологическая позиция которых не увязывается с геологией региона, в процессе их изучения интерпретируются по-разному. Пемзы района Эль-Гаско (Западная Испания), залегающие на вершинах двух холмов (Пико дель Кастилло и Пико дель Позо де лос Морос) высотой около 1000 м, которые находятся на расстоянии около 40 км друг от друга, никак не «вписывались» в геологию района. Они традиционно использовались для различных художественных поделок, и их разработки нарушили природную форму обнажения. Сейчас оно представляет собой метровую толщу пористых пород, залегающих на слюдисто-кварцевых сланцах вблизи вершины холма (рис.
. За время изучения этих пемз было предложено четыре разные гипотезы их возникновения.
Рис. 8. Обнажение импактных пемз Эль-Гаско. Большая его часть потеряла свой естественный облик после разработки пемз на художественные промыслы. Сейчас оно выглядит как россыпь обломков. Фото Л. И. ГлазовскойГипотеза вулканической природы пемз, впервые высказанная более 60 лет назад [7], не нашла последователей в связи с тем, что в регионе нет вулканической активности, здесь широко развиты осадочные и слабометаморфизованные породы. Также не нашла поддержки и гипотеза, согласно которой пемзы образовались в результате удара молнии [8]. Обнажение было очень большого размера (40×60 м) для такого генезиса. Изучение, проведенное Э. Диаз-Мартинезом [9], показало, что пемзы возникли в результате плавления вмещающих пород, и ученый высказал гипотезу об их образовании в результате витрификации, т.е. при искусственном обжиге вмещающих пород во времена бронзового века.
Позднее в этих пемзах обнаружили рингвудит Mg
2SiO
4 [10, 11] — высокоплотную модификацию оливина, которая образуется только при высоких давлениях. Это была первая находка рингвудита в условиях земной коры, до этого его встречали лишь в метеоритах, а А. Э. Рингвуд получил его экспериментально. Администрация провинции Эль-Гаско объявила обнажения пемз зоной научного интереса, и их разработку прекратили. Присутствие рингвудита позволило доказать импактный генезис этих пород. После определения параметров решетки рингвудита, пемзы стали рассматриваться как выбросы из импактного кратера, с температурой образования 1900–2700°С [11]. Сам кратер, видимо, перекрыли более поздние отложения, или его просто не нашли, так как соответствующие геологические работы там не проводились. Таким образом, изучение пемз Эль-Гаско показало, что интерпретация происхождения стекловатых пород и пемз в отдельных природных обнажениях требует детального петрологического изучения.
Температура импактного расплава достигает 2200–3000°С, для тектитов — 3500°С, а для фульгуритов еще выше. В вулканических же расплавах она, как правило, не превышает 1000–1200°С. Температура плавления силикатных пород (гранитов, гнейсов, базальтов, слюдистых сланцев) при образовании пемз витрифицированных фортов колеблется в пределах 1050–1235°С.
Необычные пемзы в России
Рис. 9. Л. И. Глазовская и основатель гипотезы витрифицированных фортов, шведский ученый П. Кристен на обнажении пемз в ИспанииВ Европе к витрифицированным породам относят не только витрифицированные форты (рис. 9), но и обнажения искусственно остеклованных пород, которые представляют собой остатки древнего производства керамики, железа или меди [4, 6]. И вот тут оказалось, что в России тоже есть такие породы. Мы обнаружили обнажения пемз и стеклосодержащих пород в откосах р. Мсты (Новгородская обл., район г. Боровичи). Пемзы мощностью до полуметра залегают на доломитовых породах. На них растут вековые сосны. Район р. Мсты — зона развития карста, и в некоторых карстовых воронках можно найти куски светло-зеленого стекла или его корочки на доломитах, а также обломки черных пемз. Оказывается, в XVIII в. монахи Свято-Духова Боровичского монастыря — одного из древнейших в России (его создание относится к 1327 г.) — использовали карстовые воронки для производства керамики. Судя по петрологии изученных образцов, монахи получали и огнеупорные материалы. Впоследствии именно в Боровичах стало развиваться производство огнеупоров, и сейчас там находится комбинат огнеупорных материалов.
Обжигу подвергались карбонатные породы и небольшие гранитные валуны. Монахи использовали их, вероятно, в качестве флюса — вспомогательного вещества, способствующего стеклообразованию. В результате получалась волластонит-диопсидовая порода (Ca
3[Si
3O
9], CaMg[Si
2O
6]), содержащая стекло (рис. 10). Футляровидная форма волластонита свидетельствует о том, что он кристаллизовался из расплава в режиме быстрого охлаждения.
Рис. 10. Волластонит-диопсидовая порода со стеклом. Новгородская обл., окрестности г. Боровичи. Это образец витрифицированной породы, возможно, предшественник огнеупорных материалов. Di — диопсид, Wo — волластонит. Фото в обратно рассеянных электронахВ черных пемзах, соседствующих в обнажении с диопсидовыми породами, встречаются обломки гранитоидов и кварца. Мы изучали образцы двух типов: пемзы с обломками гранитоидов и кварца и волластонит-диопсидовую породу, которая образовалась из карбонатных пород, испытавших термическое и химическое воздействие при взаимодействии с кислым силикатным расплавом. Пемзы сформировались при плавлении гранитного материала. Состав их стекол соответствует составу пород с высоким содержанием щелочей (трахитам). Однако на классификационных диаграммах эти составы выходят за пределы полей, обычных для природных пород. Стекло в диопсидовой породе имеет кислый состав (содержание SiO
2 = 77%), обогащено натрием (3,3%) и калием (8,8%), что свидетельствует о плавлении гранитных пород.
Но аналогов таких пород в других природных обнажениях на Земле не обнаружено. К тому же образовавшееся стекло также имеет уникальный состав. Его особенность — необычное для кислых стекол высокое содержание MgO (от 3,05 до 5,11%) и отсутствие (или чрезвычайно низкое содержание) Al
2O
3 (от 0 до 0,68%). Нам представляется, что уникальность изученных стекол, их геологическая позиция, несоответствие по составу никаким магматическим, метаморфическим или осадочным породам, встречающимся в природе, свидетельствуют об их искусственном происхождении [12]. По-видимому, нужно считать, что их возникновение связано с деятельностью человека, и называть их витрифицированными породами в соответствии с классификацией европейских ученых [13]. Однако обнаруженные нами стекла не столь древние, как в Европе.
Критерии отличия импактных и вулканических стекол рассматривались и ранее [4], данные же по стеклам витрифицированных фортов Пассо Альто публикуются впервые. Гипотеза происхождения стеклосодержащих пород Новгородской обл. обсуждалась в 2016 г. на научной конференции «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения)» [12].
Литература
1. Kresten P. The vitrified forts of Europe: saga, archaeology, and geology // Applied Mineralogy. Developments in Science and Technology. ICAM, Brazil / Eds M. Peccio, M. Andrade, F. R. Agostino. Sao Paolo, 2004. P. 355–357.
2. Kresten P., Kero L., Chyssler J. Geology of the vitrified hill-fort Broborg in Uppland, Sweden. 2010.
3. Cook M. New light on oblong forts: excavations at Dunnideer, Aberdeenshire // Proceedings of the Society of Antiquaries of Scotland. 2010. V. 140. P. 79–82.
4. Глазовская Л. И. Особенности микроструктуры тектитов и импактных стекол кратера Жаманшин в связи с проблемой генезиса тектитов // Петрология. 1997. Т. 5. № 2. С. 222–224.
5. Diaz-Martinez E., Soares A. M. M., Kresten P., Glazovskaya L. I. Evidence for wall vitrification at the Late Bronze Age settlement of Passo Alto (Vila Verde de Ficalho, Serpa, Portugal) // Arqueologia. 2005. V. 8. № 1. Р. 151–161.
6. Catanzariti G., McIntosh G., Vonge Soares A. V. et al. Arhaeomagneticdating of a vitrified wall at the Late Bronze Age settlement of Misericordia (Serpa Portugal) // J. Arhaeological Sci. 2008. V. 35. P. 1399–1407.
7. Garcia de Figuerola L. C. Nota sobre el volcandel gasco, las hurdes (Caceres) // Estudios Geologicos. 1953. V. 9. P. 385–393.
8. Fisher R. V. Mechanism of deposition from pyroclastic flows // American J. Sci. 1966. V. 264. P. 350.
9. Diaz-Martinez E. Origin of the visicular glass of the El Gasco (Caceres, Spain): vitrification of a protohistoric human construction // VI congreso geologico de Espana. Zaragoza., 2004. V. 6. № 1. P. 33–36.
10. Глазовская Л. И., Трубкин Н. В. Рингвудит из пемз Эль-Гаско (Эстрамадура, Испания) // Докл. РАН. 2005. Т. 405. № 3. С. 385–388.
11. Глазовская Л. И., Фельдман В. И. Петрология рингвудитсодержащих пемз района Эль-Гаско (Западная Испания) // Петрология. 2012. Т. 20. № 5. С. 457–469.
12. Глазовская Л. И., Щекина Т. И. Уникальные составы расплавов витрифицированных пород Новгородской области // Современные проблемы теоретической, экспериментальной прикладной минералогии (Юшкинские чтения). Сыктывкар, 2016. С. 20.
13. Diaz-Martinez E., Soares A. M., Kresten P., Glazovskaya L. I. Evidence for wall vitrification at the Late Bronze Age of Passo Alto (Vila Verde de Ficalho, Serpa, Portugal) // Revista Portuguesa de Arqueologia. 2005. V. 8. № .1. P. 151–161.
* Составы и текстурные особенности минералов определены с использованием растрового электронного микроскопа Jeol ISM-6480 LV в лаборатории локальных методов исследования кафедры петрологии геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434653/Vitrifitsirovannye_forty_chto_eto_takoeЛюдмила Глазовская, Татьяна Щекина
«Природа» №7, 2017
