Известия Русского географического общества, 2023, T. 155, № 1, стр. 21-29

ВВЕДЕНИЕ

Карст является одним из ведущих процессов разрушения и преобразования растворимых пород различного состава. При этом образуются новейшие континентальные отложения как на поверхности, так и внутри скальных массивов карстующихся пород. В базовых и частных классификациях пещерных отложений выделяются обвальные, остаточные, химические, инфильтрационные и т.д. Как правило, определение инфильтрационных отложений в карстовых пустотах затруднено в силу большого сходства их с остаточными отложениями. Редкую возможность для изучения состава инфильтрационных отложений предоставляет Кунгурская пещера, где эти отложения формируются под органными трубами, через которые происходит периодическое поступление поверхностных (талых и дождевых) вод (рис. 1).

Рис. 1.

Местоположение Кунгурской Ледяной пещеры. Fig. 1. Location of the Kungur Ice Cave.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Кунгурская Ледяная пещера в Предуралье является эталонной карстовой полостью в карбонатно-сульфатных отложениях [7]. Разрез Ледяной горы, в недрах которой развита лабиринтовая спелеосистема с общей длиной ходов почти 6 км, представлен чередованием карбонатных пачек мощностью 5–10 м и сульфатных пачек мощностью 20–25 м иренского горизонта кунгурского яруса пермской системы. Гроты и галереи развиты в пределах нижней сульфатной ледяно-пещерской пачки мощностью 25 м (рис. 2).

Рис. 2.

Схематический разрез Ледяной горы и Кунгурской пещеры [2]. 1 – известняки и доломиты; 2 – гипсы и ангидриты; 3 – глинистые отложения; 4 – песчано-глинистые отложения; 5 – крупнообломочные отложения; 6 – уровень подземных вод; 7 – карстовые воронки; 8 – вертикальные каналы, трубы; 9 – подземные пустоты. Fig. 2. Schematic section of the Ice Mountain and the Kungur cave [2]. 1 – limestones and dolomites; 2 – gypsum and anhydrites; 3 – clay deposits; 4 – sandy-clay deposits; 5 – coarse-grained deposits; 6 – groundwater level; 7 – sinkholes; 8 – vertical channels, pipes; 9 – underground voids.

Среди форм подземного ландшафта выделяются вертикальные органные трубы, которых в настоящее время зафиксировано 146. Форма их в плане варьирует от круглой или овальной до извилистой сложной. Поперечник составляет 1–10 м, высота до 20 м. Подавляющая часть органных труб “упирается” в плоские плиты карбонатных пород неволинской пачки на высоте 20–25 м. Отдельные трубы не доходят до неволинских доломитов и вскрывают верхние слои сульфатных отложений ледяно-пещерской пачки. В этом случае органные трубы имеют меньшие размеры – поперечник 1–3 м, высота не более 5 м. Своды округлые, что свидетельствует о напорной модели их формирования. Последнее подтверждается фрагментами сохранившихся извилистых подводящих каналов в устьях органных труб высотой до 1 м, образующихся при восходящем движении подземных вод (рис. 3).

Рис. 3.

Карта Кунгурской ледяной пещеры [7] с обозначением места отбора проб. Fig. 3. Map of the Kungur ice cave [7] with the designation of the sampling site.

Органные трубы делятся на открытые и закрытые. Закрытые органные трубы полностью заполнены обломочным материалом карбонатных пород. Под открытыми трубами, как правило, образуются осыпи, состоящие из хаотично нагроможденных обломков известняка и доломита с глинистым заполнителем. Но встречаются исключения. Осенью 2022 г. в Кунгурской пещере в отдельных гротах проведены расчистки осыпей. В гроте Колизей верхняя часть осыпи высотой 6 м (поперечник 15 м) состоит из щебня гипса и доломита с глинистым заполнителем. В основании осыпи – щебень гипса. Шурф глубиной 1.0 м пройден в средней части. В геологическом разрезе выделяются 3 ненарушенных слоя глины коричневой влажной пластичной мощностью 15–20 см, разделенных двумя маломощными (1–2 см) прослоями светло-коричневой глины. Угол падения слоев 40°–45°. В гротах Дружбы Народов и Шапка Мономаха в осыпях также выделяются прослои глины, но менее отчетливые. Для сравнения пройден шурф в гроте Центральный в остаточных отложениях, сформировавшихся далеко за пределами высыпания обломочного материала их органных труб.

Отобраны образцы алевритово-глинистого материала для валового (силикатного) анализа (рис. 4). Слои 1–3 рассматриваются как инфильтрационные отложения, слой 4 – дезинтегрированные растворимые карбонатно-сульфатные отложения. Геохимические исследования инфильтрационных и остаточных отложений проведены в Секторе наноминералогии ПГНИУ флуоресцентным рентгеноспектральным методом (аналитик И.В. Бадьянова).

Рис. 4.

Места отбора проб из инфильтрационных отложений в схематическом геологическом разрезе органной трубы. 1 – четвертичные отложения: суглинок, супесь; 2 – гипс, ангидрит; 3 – известняк, доломит; 4 – глина; 5 – дресвяно-щебнистые отложения; 6 – обвальные отложения; 7 – номера проб. Fig. 4. Sampling sites from infiltration deposits in a schematic geological section of an organ pipe. 1 – quaternary deposits: loam, sandy loam; 2 – gypsum, anhydrite; 3 – limestone, dolomite; 4 – clay; 5 – gravel-gravelly deposits; 6 – landslide deposits; 7 – sampling site.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Химический анализ показал определенные закономерности распределения оксидов в инфильтрационных отложениях, результаты которого представлены на рис. 5. Отмечается значительная разница в содержании оксидов в привнесенных и дезинтегрированных отложениях в основании осыпи под органной трубой – 2–3 раза. Для инфильтрационных образований в слоях 1–3 определяется постепенное синхронное увеличение двуокиси кремния SiO₂, оксида титана TiO₂ и оксида алюминия Al₂O₃, а также уменьшение CaO и MgO. Содержание оксидов в остаточных отложениях аналогично содержанию оксидов в инфильтрационных отложениях.

Рис. 5.

Химический состав инфильтрационных и остаточных отложений в Кунгурской Ледяной пещере. Fig. 5. Chemical composition of infiltration and residual deposits in the Kungur Ice Cav.

Представление о водной миграции химических элементов в инфильтрационных отложениях представлено на рис. 6.

Рис. 6.

Содержание химических элементов в инфильтрационных и остаточных отложениях Кунгурской ледяной пещеры. Fig. 6. Content of chemical elements in infiltration and residual deposits of the Kungur Ice Cave.

Как и в случае с оксидами, содержание всех элементов в инфильтрационных и остаточных отложениях в 2–3 раза больше, чем в дезинтегрированных вмещающих породах. Для Zn, Sr, Mo, Sn отмечается постепенное уменьшение к нижним слоям, для Y, Nb, Cs – наоборот, увеличение. La в коренных породах отсутствует, Ce в них же меньше в 6 раз.

ОБСУЖДЕНИЕ

В типе водных механических отложений в Кунгурской Ледяной пещере выделены инфильтрационные отложения. К ним отнесены отложения тонких (глинистых) фракций, кольматирующие крупнообломочные отложения осыпей (щебень и более крупные обломки карбонатных и дресва сульфатных пород), расположенных непосредственно под органными трубами. Наличие понор на дне карстовых воронок на поверхности Ледяной горы позволяет предполагать, что обнаруженная в осыпях под органными трубами галька также поступала в пещеру с поверхности [7].

В результате комплексных исследований последних десятилетий в Кунгурской пещере изучен новообразованный кальцит непосредственно из инфильтрационных сульфатно-кальциевых вод [6]. Объем, скорость, а также периодичность движения инфильтрационных вод в зоне вертикальной циркуляции, мощность которой составляет около 60 м, весьма разнообразны. Это и отдельные капли, падающие равномерно в течение всего года, либо сливающиеся в небольшие струйки весной. Иногда весной на короткий период до 7–10 дней расход воды увеличивается до 2.0 л в минуту. В большинстве случаев инфильтрация воды с поверхности происходит в районе органных труб. В отдельных случаях капель со свода происходит без видимой связи с трещинами и другими водоподводящими структурами.

При общем нисходящем движении инфильтрационных вод проследить весь путь на каждом отдельном участке геологического разреза практически невозможно. Однако на подходе к гроту Космический удалось зафиксировать промежуточный уровень стояния инфильтрационных вод на абсолютной отметке 130 м в зоне вертикальной циркуляции. Отметка кровли грота Космический является одной из самых высоких в Кунгурской пещере. В сводах и стенах вскрыты доломиты неволинской пачки, которые перекрывают гипсы и ангидриты ледянопещерской пачки, в пределах которой образовалось подавляющее большинство гротов и галерей пещеры на уровне водоносного горизонта 112–113 м.

Подход к гроту представляет собой крупнообломочную осыпь высотой 20 м крутизною от 30 градусов у основания до 60 – вверху. В верхней части северо-западного сектора осыпь покрыта сплошным покровом остаточной глины мощностью до 20 см, площадью 10 м² с отчетливыми следами течения воды. Сверху отмечается тонкий черный налет, предположительно, четырехвалентных окислов марганца. Аналогичный черный налет отмечается в нижней части нависающего свода. Разница в окраске гипсового целика фиксирует уровень инфильтрационных вод, задержанных на достаточно длительный период. Подпор стекающих с поверхности Ледяной горы вод происходил вглубь массива, по всей видимости, на более ранних стадиях формирования пещеры [8].

При замерзании инфильтрационных вод в первичных пустотах будущей карстовой системы и в дальнейшем – в периоды промерзания происходили криоминералогические процессы. В настоящее время отмечаются морфологические и кристаллические особенности криогенного кальцита для всех температурных зон Кунгурской пещеры. Разнообразие криогенного материала определяется микроклиматическими факторами и нано-условиями [1].

К микроклиматическим факторам можно отнести особенности промерзания пород на определенных этапах существования многолетнемерзлых пород. U\Th датировки криогенных минеральных образований в пещерах Урала позволяют достаточно точно определять периоды межледниковий и, соответственно, динамику границы распространения многолетнемерзлых пород. В каждой из трех крупных пещер на границе Соликамской впадины в пределах Предуральского прогиба обнаружен разновозрастный криогенный кальцит в интервале от 11–13 до 430–480 тыс. лет [4, 5].

Сеть лабиринтовых ходов Кунгурской пещеры заложена на уровне первой надпойменной террасы р. Сылвы. Согласно данным археологических находок, период формирования первой террасы – 8000–7000 лет до н.э., второй – 12000 тыс. лет до н.э. [3], что свидетельствует о молодом возрасте пещеры. Исходя из геометрических параметров гротов и галерей, а также из скорости растворения сульфатных пород, можно рассчитать абсолютный возраст пещеры. В этом случае цифра будет выше – более 50 тыс. лет [10]. Оособенности геологического строения массива, в котором заложена карстовая система, геоморфологические условия, условия развития водоносных горизонтов, биоспелеологические данные свидетельствуют о более длительном развитии Кунгурской пещеры в течение всего четвертичного периода [7].

Отсутствие нарушенности в залегании глинистых слоев в осыпи под органной трубой предполагает цикличность поступления материала в спелеосистему, которую можно сопоставить с многократными изменениями в ходе экзогенных процессов при чередовании глобальных похолоданий и потеплений. В перигляциальной зоне промывание рыхлых отложений могло происходить водами, в т.ч. напорными, циркулирующими в многолетнемерзлых породах на значительном удалении от фронта ледника. Периодическая инфильтрация вод способствовала также растворению сульфатных пород и перемещению глинистых частиц по трещиноватым и деформационным зонам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Составляющая инфильтрационных вод в общем водном балансе массива несоизмеримо мала по сравнению с карстовыми водами. Однако формирование органных труб невозможно без просачивающихся с поверхности Ледяной горы дождевых и талых вод на различных эапах формирования карстовой системы [8].

В позднем плейстоцене отмечаются несколько этапов криогенеза, интенсивность которого нарастала и закончилась деградацией мерзлоты [9]. В отсутствие проявлений мерзлотных процессов на поверхности инфильтрационные отложения Кунгурской пещеры можно сопоставить с криогенными горизонтами верхнего плейстоцена.

Климатические ритмы отражаются в лессово-почвенных разрезах в наземных условиях, а также в слоистых инфильтрационных отложениях карстовых пустот и различных типах криогенных минералов.