Pierścienie lieseganga

Pierścienie lieseganga (pierścienie dyfuzyjne) to nazwa zazwyczaj koncentrycznych pasów, złożonych głównie ze związków żelaza, występujących w wietrzejących skałach. Nazwane zostały od ich odkrywcy, niemieckiego chemika, Raphaela Eduarda Lieseganga.

Pierścienie lieseganga wyraźnie korelujące z układem spękań w skale po których rozchodziła się infiltrująca skałę woda. Los Barrios de Luna w prowincja León w Hiszpanii, fot. użytkownika PePeEfe, Wikimedia Commons, użyta na licencji CC BY-SA 3.0

Pierścienie te najczęściej tworzą się w skałach osadowych, aczkolwiek spotykane są również dość często w niektórych skałach magmowych; teoretycznie możliwe jest ich powstanie w dowolnej porowatej skale drobnoziarnistej. Porowatość skały pełni tu rolę kluczową, gdyż pozwala na dość swobodne wnikanie wody transportującej związki chemiczne wgłąb skały na drodze zjawisk kapilarnych, uniemożliwiając jednocześnie powstanie mikroprądów i szybkie mieszanie się wód z różnych obszarów skały. Słownik Geologii Dynamicznej, pod redakcją Wojciecha Jaroszewskiego, z 1985 roku, definiuje pierścienie lieseganga jako

MECHANIZMY TWORZENIA SIĘ PIERŚCIENI LIESEGANGA

Powstawanie pierścieni lieseganga to proces dość skomplikowany i wciąż nie do końca zrozumiany. Proponuje się wiele teorii wyjaśniających ten fenomen, żadna jednak w pełni nie tłumaczy wszystkich kompilacji form widocznych w naturze. Bardzo możliwe, że za powstawanie pierścieni odpowiada więcej niż jeden proces, dodatkowo niektóre z nich mogą zachodzić równocześnie, równolegle w różnych miejscach tej samej skały, lub jeden po drugim, tworząc istne bogactwo form. Kilka z proponowanych mechanizmów odpowiedzialnych za powstawaniem pierścieni lieseganga zostało przedstawione w publikacji pt. „Ferruginous banding in Sydney sandstone”, autorstwa R.H. Vernon’a, której parafraza, wraz z wytłumaczeniem trudniejszych zagadnień, znajduje się poniżej.

Po lewej: Pierścienie lieseganga złożone z wodorotlenku magnezu w żelu agarowym, fot. użytkownika Jacopo Werther, Wikimedia Commons, użyta na licencji CC BY-SA 4.0
Po prawej: Pierścienie lieseganga złożone z chromianu srebra w żelu żelatynowym, fot. użytkownika András Büki, Wikimedia Commons, użyta na licencji CC BY-SA 3.0

Cykl Lieseganga-Ostwalda zachodzący przy infiltracji wody:

Pierwszym z wymienionych przez R. H. Vernona mechanizmów tworzenia pierścieni lieseganga opiera się na cyklu przesycenie-wytrącenie-zubożenie, zwanym też cyklem Ostwalda lub cykle Ostwalda-Lieseganga. Mechanizm ten opiera się na infiltracji [1] wód opadowych wgłąb skały. Wody te, będąc ubogimi w rozpuszczone substancje mineralne, zaczynają ługować [2] te substancje ze skały którą infiltrują, ługowane są m.in. interesujące nas w tym przypadku związki żelaza. Wraz z postępem wody rozpuszczane przez nią związki osiągają coraz wyższe stężenia. W momencie gdy dojdzie do przesycenia infiltrującego skałę roztworu dochodzi do wytrącenia związków żelaza, tworzących jeden „pierścień”. W wyniku wytrącenia tych związków roztwór zostaje w nie zubożony i ponownie zaczyna je ługować z otaczającej skały, wraz z postępem infiltracji. W wyniku tego cyklu powstawać ma wiele koncentrycznych linii.

Dojrzewanie Ostwalda:

Kolejnym poruszonym mechanizmem mogącym stać za powstawaniem pierścieni lieseganga jest proces znany jako dojrzewanie Ostwalda. Dojrzewaniem Ostwalda nazywamy rywalizację wzrastających z roztworu zarodków – jeśli w wyniku przesycenia roztworu dojdzie do krystalizacji wielu kryształów, w wyniku dojrzewania Ostwalda drobne kryształy ulegną rozpuszczeniu, przyśpieszając wzrost pojedynczego większego kryształu. Jest to swoista walka o przetrwanie. Dzieje się tak dlatego, że molekuły tworzące kryształ są do siebie przyciągane. Wewnątrz kryształu siły przyciągania działają na molekuły z każdej strony, więc wzajemnie się równoważą. Na powierzchni kryształu molekuły są jednak otoczone tylko z kilku stron przez inne molekuły danej substancji, przez co przyciąganie jest z jednej strony słabsze. Powstała nierówność sprawia, że molekuła znajdująca się na powierzchni kryształu jest delikatnie przyciągana do jego wnętrza – nazywamy to swobodną energią powierzchniową. W skrócie i uproszczeniu swobodną energię powierzchniową można uznać za napięcie powierzchniowe w ciałach stałych. Oznacza to, że małe kryształy, posiadające wyższy stosunek powierzchni do objętości, posiadają sumarycznie większą swobodną energię powierzchniową w stosunku do masy niż kryształy duże. Jako, że zgodnie z zasadą minimum energii potencjalnej wszystkie układy fizyczne w przyrodzie dążą do osiągnięcia stanu minimum energii potencjalnej, kryształy małe będą mniej stabilne niż kryształy duże. Wracając do pierścieni lieseganga – jeśli infiltrująca skałę woda osiągnie w całej swojej objętości stan przesycony, wszędzie dojdzie do powstania niewielkich zarodków kryształów. Dalej na drodze dojrzewania Ostwalda, jeden lub kilka dominujących zarodków doprowadzi do rozpuszczenia okolicznych zarodków, tworząc „falę” przesycenia naokoło. Dzięki temu dominujący zarodek lub zarodki wzrosną, jednak wywołana „fala” przesycenia może wywołać również wzrost innych zarodków, które były za daleko by wcześniej kompletnie się rozpuścić. Podrośnięte zarodki zaczną żerować na kolejnych, okolicznych, mniejszych zarodkach tworząc kolejną „falę” przesycenia. Ten cykl może się wielokrotnie powtarzać tworząc serię pierścieni.

Odparowywanie wody

Ostatnim przybliżonym przez R.H. Vernon’a mechanizmem mogącym stać za powstawaniem pierścieni lieseganga jest odparowywanie wody która zinfiltrowała skałę i wytrącenia rozpuszczonych substancji. Znów spotykamy się tu z opisanym już cyklem Ostwalda, czyli procesem przesycenie – wytrącenia – zubożenie, w tym przypadku jednak za przesyceniem roztworu nie soi infiltracja i ciągłe ługowanie skały, ale zmniejszenie ilości wody w wyniku parowania. Po wytrąceniu warstwy bogatej w związki żelaza dochodzi do zubożenia roztworu i jego dalszego wzbogacania poprzez odparowywanie wody – cykl ten powtarza się aż do całkowitego odparowania wody. W wyniku zjawisk kapilarnych, parująca woda podążać będzie ku powierzchni skały – zostawiając serię warstw od najdalszego zasięgu infiltracji do powierzchni.

Pierścienie lieseganga na powierzchni łupka piaskowcowego. Szczyrzyc. Fot. P. Zając

Pierścienie lieseganga w skałach pochodzenia wulkanicznego z wulkanu Broken Top w stanie Oregon w USA, fot. użytkownika Little Mountain 5, Wikimedia Commons, użyta na licencji CC BY-SA 4.0

Kompleks wielu pierścieni lieseganga z Lehoffelsen w Saksonii-Anhalcie w Niemczech, fot. użytkownika FrankBothe, Wikimedia Commons, użyta na licencji CC BY-SA 4.0

Pierścienie lieseganga na marglach z Kopalni Kowala (kamieniołom Wola). Fot. P. Zając

Pierścienie lieseganga na wapieniu dewońskim z kam. Bolechowice, fot. Tymon Kalbarczyk

Pierścienie lieseganga rozchodzące się od pęknięć na których rozwinęły się dendryty żelazisto-manganowe, najprawdopodobniej tymi pęknięciem podróżowała infiltrująca skałę woda, wapień dewoński, kam. Bolechowice, fot. Tymon Kalbarczyk

Pierścienie lieseganga tworzące na wapieniu dewońskim piękną scenerię o żywych kolorach, kam. Bolechowice, fot. Tymon Kalbarczyk

[1] Infiltracja – wnikanie wód opadowych i powierzchniowych pod powierzchnię ziemi
lub wgłąb skały/gruntu.

[2] Ługowanie – wymywanie rozpuszczalnych składników skały lub gleby przez przesączającą się wodę

Tymon Kalbarczyk
realgarblog.com

Źródła:
◾ W. Jaroszewski, L. Marsk, A. Radomski, Słownik geologii dynamicznej, Warszawa 1985, s. 95-96, 137,
179,
◾ R.H. Vernon (2022), Ferroginous banding in Sydney Sandstone, Australian Journal of Earth Sciences,
68:4, 498-514,
◾ Wikimedia Commons:
– fot. „Liesegang rings – Formación La-Serrona – Barrios de Luna, León, Spain” użytkownika PePeEfe, użyta na licencji CC BY-SA 3.0;
– fot. „Liesegang rings of Magnesium hydroxide in Agar gel” użytkownika Jacopo Werther, użyta na licencji CC BY-SA 4.0;
– fot. „Liesegang rings” użytkownika András Büki, użyta na licencji CC BY-SA 3.0;
– fot. „Sandstein mit Verwitterungsrinde” użytkownika FrankBothe, użyta na licencji CC BY-SA 3.0;