ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2014, № 3, с. 66-72
— региональные географические проблемы
УДК 556. 383.
минеральные образования пещеры победа (Башкортостан), связанные с формированием и оттаиванием многолетнего льда
© 2014 г. о.и. Кадебская, и.и. чайковский
Горный институт Уральского отделения РАН Поступила в издательство 11.09 2012 г.
В пещере Победа формируются два типа карбонатной минерализации, связанные с многолетней наледью. Первый тип формировался при быстром замерзании растворов и является криогенным. Второй тип минерализации связывается с размораживанием и собирательной перекристаллизацией оттаявшего криогенного материала. Находка нового типа пещерного "жемчуга", не известного в пещерах России, подчеркивает уникальность пещеры Победа и необходимость ее сохранения для научных исследований.
Введение. В 2011 г. сотрудниками Горного института УрО РАН проведено комплексное изучение привходовой части пещеры, позволившее установить следующее. В привходовой части пещеры расположена многолетняя наледь длиной 120 м, шириной от 5 до 12 м, мощность которой, по данным георадарных исследований [3], достигает 6 м. Температура на границе холодной и переходной зон в летнее время (июль, 2011 г.) колеблется приблизительно около 0 °С. На поверхности наледи кроме костей летучих мышей и крупных обломков известняка зафиксированы мучнистый материал, распространенный на всей площади, а также похожие на пещерный "жемчуг" образования, пластинчатые отщепы известняка и натечных кор, локализованные близ переходной зоны. "Жемчуг" также установлен в нишах стен на высоте от 0.5 до 1.5 м. Приуроченность большого количества отщепов к краевой части наледи может говорить о проявлении десквама-ции (шелушение и отслаивание горных пород), связанной с периодическим замерзанием воды на стенах переходной зоны. Пространственная связь новообразованного материала ("муки" и "жемчуга") с многолетней наледью в пещере позволяет предполагать, что их образование отличается от традиционных натечных объектов (спелеотем), формирующихся при положительной температуре [5].
Краткая характеристика пещеры. Пещера Победа (Киндерлинская им. 30-летия Победы) -самая значительная по высотной амплитуде
(215 м) и третья по длине (9113 м) пещера Урала. Она находится в Гафурийском районе Башкортостана, в устьевой части левого притока р. Зилим -р. Киндерля. Она заложена в девонских битуминозных известняках. Вход в пещеру расположен на южном склоне карстового массива. Пещера представляет собой наклонную систему галерей и ходов, развитых в северном, северо-восточном и северо-западном направлениях, образующих четыре уровня. Пещера привлекательна для спелеотуризма, находится в доступном месте и активно посещается туристами с 1980-х гг. XX в. (более чем 1000 чел./год).
методика исследований и характеристика отобранного материала. Были отобраны пробы карбонатного материала из краевой части наледи на границе с переходной зоной (пробы 1, 2), в центральной части наледи с поверхности (проба 3) и из ледяного массива с глубины 1 м при помощи ледобура (скв. 1, 2). Схожие с пещерным жемчугом образования размером до 7 мм присутствовали в пробах 1 и 2 (рис. 1-3). Первая проба была взята у восточной стены на поверхности краевой части наледи. Вторая проба была отобрана на высоте 1 м из ниши на стене. Карбонатная мука присутствовала в пробах 1 и 3, а также отфильтровывалась из оттаявшего льда (скв. 1, 2).
Исследование морфологии и химического состава проводилось на сканирующем электронном микроскопе VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа INCA
рис. 1. Места отбора льда и минеральных образований из привходовой части пещеры.
Energy 350/X-max 20 в Горном институте УрО РАН (аналитики Е.П. Чиркова, О.В. Коротченкова).
Изотопные анализы углерода и кислорода из образцов вмещающего известняка, "муки" и "жемчуга" были выполнены в Институте геологии КНЦ УрО РАН на масс-спектрометрах МИ-1309 (аналитик М.А. Кудинова) и DELTA V Advantage (аналитик И.В. Смолева). Значения рассчитаны в промилле относительно стандартов PDB для 5 13С и 5 18О.
Химический анализ льда выполнен в Горном институте УрО РАН (аналитик Т.А. Одинцова).
Химический анализ льда показал низкую минерализацию состава льда и некоторое ее увеличение от входа в глубь пещеры (от 185.0 до 224.5 мг/ дм3), при этом происходит рост рН и содержания всех макрокомпонентов, кроме хлора. Исходя из этого, по классификации Г.А. Максимовича лед в пещере пресный (табл. 1).
Его низкая минерализация связывается с образованием наледи из талой воды, поступающей в весеннее время преимущественно через вход пещеры. Поведение основных компонентов отражает ее постепенное вымораживание в процессе затекания.
Гидрохимический тип определялся по компонентам, содержание которых превышало
рис. 2. Краевая часть наледи, покрытая десквамационными отщепами известняка, "мукой" и "жемчугом" (проба 1).
рис. 3. Пещерный "жемчуг" в нише на высоте 1 м (проба 2).
20% мг.экв. Натечный лед относится к гидрокар-бонатно-кальциевому типу.
морфология минеральных образований. Исследование минеральных фаз показало, что морфология мучнистого материала и "жемчуга" аналогична во всех пробах.
Анализ морфологии более 400 тонкодисперсных частиц из мучнистого материала показал,
Таблица 1
№ скв. Минерализация, рН Содержание, мг/дм3, моль/дм3, %-экв Тип
мг/дм3 HCO3 Cl SO4 Ca Mg K + Na
1 185.00 7.6 126.81 2.88 8.41 32.26 3.28 11.36
2.08 0.08 0.18 1.61 0.27 0.45 ГК
44.51 1.74 3.75 34.48 5.78 9.73
2 224.49 8.21 155.79 1.97 9.34 37.27 3.28 16.83
2.55 0.06 0.19 1.86 0.27 0.67 ГК
45.54 0.99 3.47 33.18 4.82 12.01
Рис. 4. Морфология микрокристаллов и агрегатов из карбонатной муки.
что они представлены гладкогранными, скелетными и антискелетными кристаллами острого и тупого ромбоэдров кальцита, их сростками, расщепленными кристаллами, сферолитами, древовидными дендритами, фрагментами почковидных агрегатов - сферолитовыми корками (рис. 4). Их размер варьируется от 40 до 600 мкм. Некоторые агрегаты имеют ровную поверхность основания, которая, вероятнее всего, образовалась на поверхности льда.
В сростках с кальцитом отмечены гидроксиды железа, глобули силикагеля, а также сильвин, который связывается с вскрытием жидких включений в вакуумной камере микроскопа. В качестве ксеногенных фаз отмечены обломочные зерна монацита, циркона, кварца и оксиды титана.
Анализ морфологии тонкодисперсных частиц кальцита и известные представления о связи формы индивидов с концентрацией растворов [1]
позволили ранжировать их в морфологический ряд, отражающий степень пересыщения замерзающей воды (рис. 5). Предполагается, что при незначительном пересыщении зародыши минералов - микролиты преобразуются в более крупные плоскогранные индивиды, а при значительном - происходит постепенное расщепление с формированием гантелевидных и сноповидных образований, сферолитов с неровной и гладкой поверхностью или кораллитовых агрегатов. С условиями недосыщения связывается формирование скелетных кристаллов. На поверхности наледей в основном распространены расщепленные и скелетные индивиды, сложенные комбинацией острого и тупого ромбоэдров. В ледяной толще наряду с ним зафиксированы обычные ромбоэдры с признаками антискелетного роста, что позволяет считать их специфичной формой, формирующейся в остаточной жидкости между кристаллами льда.
Сильное пересыщение
Зародыши-микролиты
Слабое пересыщение
Рис. 5. Предполагаемый морфологический ряд выделений тонкодисперсных индивидов и агрегатов кальцита в зависимости от степени насыщения замерзающих растворов.
остатки летучих мышей (рис. 7). Предполагается, что образование таких агрегатов могло произойти как за счет сферолитового роста расщепившихся зародышей, так и обрастания друзовидной корочкой кристаллов и костей летучих мышей.
Химический состав "муки" и "жемчуга".
Для характеристики химического состава было выполнено 50 анализов минеральных образований, отобранных из льда, с поверхности наледи и ниши. В качестве примеси в кальците установлена примесь магния. Минимальное ее количество (до 1.8 ат. %) зафиксировано в "жемчужинах". Для микрокристаллов содержание магния достигает 6.15 ат. % во льду, 45.12 ат. % на поверхности наледи 47.52 ат. % в нише (рис. 8).
Пространственное положение исследованных образований и их состав позволяют предполагать, что "жемчужины" формировались из наиболее пресных, вероятно, талых вод только на поверхности наледи. Наиболее низкомагнезиальные микрокристаллы, извлеченные из льда, возможно, формировались из жидких включений, расположенных между кристаллами льда. Наиболее магнезиальные микрокристаллы с поверхности наледи и в нише росли в пленке раствора, состав которого за счет вымораживания становился все более и более минерализованным.
Рис. 6. Морфология и внутреннее строение сферолитов ("жемчужин").
Изучение морфологии "жемчужин" показало, что они представляют собой сферолиты, состоящие из плоскогранных индивидов (остро-) ромбоэдрического кальцита (рис. 6).
В центральной части некоторых жемчужин отмечается один, реже несколько центров кристаллизации, в качестве которых выступают обломочные карбонатные и глинистые частицы, кристаллы более ранней генерации, костные
Рис. 7. Кости летучих мышей и ранние индивиды кальцита, обросшие друзовидной корочкой кальцита. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ № 3 2014
100908070605040
Са, ат. %
А б
А
в
О жемчуг Д мука
А
А
мё, А ат. %
0 10 200 10 20 30 40 500 10 20 30 40 50 60
рис. 8. Соотношение кальция и магния в минеральных фазах из льда (а), с поверхности наледи (б) и ниши I
изотопный состав с и о карбонатов. Для
изотопных исследований карбонатного материала были отобраны образцы вмещающего известняка, мучнистого материала и "жемчуга" (табл. 2).
Таблица 2. Изотопный состав вмещающего известняка, "муки" и "жемчужин"
№ на рис. 9 Вещество, привязка Изотопный состав
513С 5180
1 вмещающий известняк 1.8 -3.16
2 мука с пола (проба 1) 0.5 -7.24
3 мука с поверх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.