Записки Российского минералогического общества, 2022, T. 151, № 4, стр. 70-86
Минеральный состав отложений пещеры Гребневская, Иркутская область
Е. П. Базарова 1, *, О. И. Кадебская 2, О. В. Коротченкова 2, М. Н. Рубцова 1
1 Институт земной коры СО РАН
664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 128, Россия
2 Горный институт УрО РАН
614007 Пермь, ул. Сибирская, 78-а, Россия
* E-mail: bazarova@crust.irk.ru
Поступила в редакцию 02.12.2021
После доработки 21.04.2022
Принята к публикации 14.06.2022
- EDN: HUSJVQ
- DOI: 10.31857/S0869605522040025
Аннотация
Изучен минеральный, химический и изотопный состав минеральных отложений пещеры Гребневская в Байкальском регионе. Особенностью минералогии этих отложений является слабое развитие кальцитовых и арагонитовых образований по сравнению с гидромагнезитом. Минеральные агрегаты, формирующиеся за счет притока воды (кальцитовые коры, пещерный “жемчуг”) обеднены магнием и характеризуются низкими значениями δ13C и δ18O по сравнению с отложениями, сформировавшимися при капиллярном питании (пещерная “пудра”) и криогенезе. Выявлены три этапа минералобразования, тесно связанные с климатическими условиями. На этапе обводненности пещеры были сформированы кальцитовые сталактиты и коры, а также арагонитовые агрегаты. При уменьшении водопритока и периодических понижениях температуры внутри пещеры до отрицательных значений образовались “жемчужины” режеляционного генезиса. Образование гидромагнезитовых и лансфордитовых отложений связано с современными процессами минералообразования.
ВВЕДЕНИЕ
Подземные карстовые ландшафты характеризуются специфическими процессами минералообразования, которые тесно связаны с микроклиматическими обстановками внутри подземных полостей. Сформировавшиеся в ходе преобразования вмещающей породы отложения могут служить индикаторами микроклимата пещер, который, в свою очередь, контролируется климатическими условиями на поверхности. В Байкальском регионе в настоящее время известно более 300 пещер, многие из которых приурочены к литологически схожим породам, но расположены в различных географических зонах, что дает возможность проследить специфику минералообразования и выделить минеральные индикаторы для различных микроклиматических условий. Одной из крупнейших пещер Байкальского региона является пещера Гребневская. В статье рассматриваются отложения этой пещеры: минеральный, химический и изотопный состав, генезис и последовательность их формирования, а также зависимость минералообразования от микроклиматических условий. Исследование минералогии пещеры с применением современных аналитических методов проведено впервые.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ
Пещера Гребневская является восьмой по длине пещерой Байкальского региона (Осинцев, 2010) и находится в Нижнеудинском районе на западе Иркутской области. Климат района резко континентальный, средняя температура января –20…–25 °С, июля +15…+18 °С (Объяснительная записка..., 2012). Пещера расположена на расстоянии 40 км от пос. Порог, на правом берегу р. Уды, в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород мощностью более 100 м (Иркутская область, 2004). Протяженность пещерных ходов составляет 1120 м при амплитуде 28 м. Вход приурочен к нижней части утеса, обрамленного осыпью (рис. 1).
Пещера заложена в породах тагульской свиты верхнего рифея. Толща представлена переслаиванием доломитов, алевритистых доломитов, песчаников и алевролитов. Полость развивалась, вероятно, по трещине бортового отпора и тектоническим трещинам, в местах пересечения которых сформировались обвальные залы. Сечения ходов по большей части остроугольные, для наиболее промытых участков наблюдаются сложные очертания: в верхней части ход щелевидный, ниже расширяется, затем резко сужается и вновь расширяется (рис. 2, а). Такая морфология вызвана неравномерным составом вмещающих пород, которые включают в себя как карбонатные, так и менее растворимые терригенные отложения. В формировании состава ледяных образований в пещерах принимают участие инфильтрационные воды гидрокарбонатно-кальциевого и гидрокарбонатно-магниево-кальциевого состава.
По сообщению А.Г. Докучаева, температура в разных точках пещеры изменяется от 3 до 4 °С. Неравномерность микроклимата обусловлена сильным током воздуха вследствие близости пещеры к поверхности и большого влияния на подземный микроклимат атмосферных температурных условий.
Водотоки отсутствуют, но на отдельных участках пещеры отмечается капеж конденсационного и инфильтрационного генезиса. В привходовой части, а также на участках, сообщающихся с поверхностью по системе трещин, в зимний период формируются ледяные образования конжеляционного генезиса: сталагмиты и ледяные коры на стенах и на полу (рис. 2, б), а также кристаллы атмогенного льда.
Отбор образцов проводился в ходе исследовательских выездов в январе 2017 г. (руководитель А.Г. Докучаев) и 2019 г. (руководитель Э.А. Силушкина). Были взяты образцы вмещающих пород и вторичных образований, упавшие или сломавшиеся естественным путем.
Определение минерального состава образцов проводилось в ЦКП Института земной коры СО РАН в г. Иркутске М.Н. Рубцовой. Пробы, истертые в агатовой ступке со спиртом, были исследованы методом порошковой дифракции на рентгеновском дифрактометре ДРОН – 3.0. Условия съемки: излучение – СuKα, Ni – фильтр, V = 25 кВ, I = 20 мА, шаг сканирования – 0.05°, угловой диапазон: 5°–60°. Фазовый состав проб расшифрован с помощью программы EVA (Diffracplus, PDF–2, 2007 г.).
Исследование морфологии и химического состава вторичных минеральных образований проводилось на сканирующем электронном микроскопе VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350/X-max 20 в Горном институте УрО РАН в г. Пермь. Образцы после высушивания при комнатной температуре напылялись углеродом и исследовались в камере с высоким вакуумом.
Изотопные анализы углерода и кислорода выполнялись в Innsbruck Quaternary Group при Инсбрукском университете (руководитель – академик Австрийской академии наук, профессор К. Шпетль) на масс-спектрометре Delta V (Thermo Fisher Scientific), оснащенном автоматической линией для анализа карбонатов на основе интерфейса GASBENCH (Thermo Fisher Scientific) по методике изложенной в работе (Spotl, Vennemann, 2003). По 7 образцам было сделано 67 анализов, после чего для каждого образца были выбраны репрезентативные анализы. Результаты приведены в шкале VPDB, реализуемой посредством двух стандартных образцов NBS 19 и LSVEC (аналитическая погрешность на уровне 1σ составляет 0.1 ‰ для изотопов С и О).
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ОТЛОЖЕНИЙ
В пещере наблюдается пять генетических типов (Максимович, 1963) отложений: обвальные, водные механические, остаточные, водные хемогенные, а также криогенные образования.
Обвальные образования представлены двумя разновидностями (Дублянский, 2000): термогравитационной и обвально-гравитационной. Обе разновидности сложены обломками вмещающих пород, обрушившихся со сводов пещер. При этом термогравитационные отложения, сформированные за счет колебаний суточных температур, обильны в привходовой части, которая подвергается сильному выветриванию вследствие колебания температуры на поверхности. Обвально-гравитационные отложения распространены на всем протяжении пещеры и особенно характерны для обвальных залов.
Водные механические осадки, сформированные древними водотоками, представлены толщей тонкозернистых рыхлых отложений, наибольшая мощность которых наблюдается в привходовой части (рис. 2, а).
Остаточные образования, состоящие из нерастворимого остатка вмещающих пород, находятся в пещере совместно с водными механическими и обвальными отложениями.
Водные хемогенные образования представлены агрегатами гравитационных и кораллитовых кор в соответствии с классификацией, основанной на способе подачи питающего раствора (Степанов, 1971; Мальцев, 1993) и образуют мелкие сталактиты, маломощные коры на стенах и кораллиты (рис. 3, а, б). Cталактиты сложены кальцитом. В составе кор и кораллитов был отмечен арагонит (табл. 1, рис. 4).
Таблица 1.
Название | Условия нахождения в пещере | Морфология | Минеральный состав | Изотопный состав С и О | Предполагаемый механизм образования | |
---|---|---|---|---|---|---|
δ13C, ‰ VPDB | δ18O, ‰ VPDB | |||||
Коры | Покрывают отдельные участки стен | Прочные коры от белого до коричневого цвета, толщиной до 1 см | Кальцит CaCO3 |
Не определялся | Отложение из раствора, стекающего по стенам | |
Сталактиты | Свисают с потолка и выступов стен | Конические агрегаты длиной до 3 см | Кальцит CaCO3 |
Не определялся | Отложение из капель, формирующихся на выступах потолка и стен при медленном стекании раствора | |
Кораллиты | Покрывают отдельные участки стен | Почковидные агрегаты размером до 1 см | Кальцит, арагонит CaCO3 |
Не определялся | Формирование из тонких пленок раствора, движущихся под влиянием капиллярных сил | |
Пещерные “пузыри” | Покрывают отдельные участки стен | Хрупкие белесые пузырчатые коры толщиной до 2 мм | Гидромагнезит Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O |
Не определялся | Перекристаллизация и цементация пещерной “пудры” в периоды ее увлажнения и высыхания | |
Пещерный “жемчуг” | Находятся в углублениях кальцитовой коры на стене | Конкреции до 1 мм в диаметре | Кальцит CaCO3 |
+4.0 | –7.2 | Собирательная перекристаллизация криогенного материала при замерзании и оттаивании наледи |
Пещерная “пудра” | Покрывает поверхность стен в их нижней части | Белые сухие или влажные мучнистые отложения мощностью до 2 мм | Гидромагнезит Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O |
+6.3 | –1.1 | Отложение в ходе быстрого испарения тонкой пленки раствора на стенах наиболее хорошо вентилируемых участков пещеры |
Криогенная мука | Покрывает поверхность ледяных сталагмитов | Белые мучнистые отложения мощностью до 0.5 см | Лансфордит
MgCO3·5H2O, кальцит CaCO3 |
от +18.4 до +18.8 | от –4.6 до –6.7 | Минеральные частицы образуются при кристаллизации растворенных компонентов в ходе быстрого замерзания капающей на промороженный пол воды и затем освобождаются из льда при его испарении |
Кроме того, в пещере наблюдаются образования неясного генезиса: рыхлые осыпающиеся настенные коры, пещерная “пудра” (рис. 3, в, г) и скопление мелких агрегатов – пещерного “жемчуга” (табл. 1).
Пещерная “пудра” широко распространена в п. Гребневской на поверхности стен в их нижней части (около 0.5 м от пола). Обычно “пудра” влажная и пластичная, но на отдельных, хорошо вентилируемых, участках пещеры встречается в виде сухих осыпающихся скоплений. “Пудра” сложена гидромагнезитом Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O, представленным агрегатами листоватых кристаллов размером до 20 микрон (рис. 5, а; рис. 6).
Совместно с “пудрой”, ниже участков ее развития, были встречены тонкие легко отстающие от стены коровидные агрегаты, зачастую образующие спелеотемы, получившие в зарубежной литературе (Hill, Forti, 1997) название пещерных “пузырей” размером до первых сантиметров (рис. 3, г). Данные спелеотемы сложены гидромагнезитом, так же, как и “пудра” (рис. 7).
В пещере также были встречены минеральные агрегаты, подобные очень мелкому пещерному “жемчугу” – округлые конкреции размером до 1 мм, состоящие из ромбоэдрических кристаллов кальцита (рис. 5, б, в) длиной до 50 микрон. Скопления, насчитывающие десятки “жемчужин”, наблюдались в миниатюрных (до 10 см) гуровых ванночках. В минеральном отношении “жемчужины” сложены магнезиальным кальцитом (содержание MgO достигает 10.3 мас. %) (рис. 8).
Криогенные образования, которые являются отдельным типом минеральных образований пещер, формируются вследствие кристаллизации растворенных компонентов из вод, циркулирующих в пещере. Минералообразование происходит при повышении концентрации растворов в процессе замерзания. В п. Гребневской криоминералы находятся в привходовой части пещеры в месте распространения сезонных ледяных образований и представляют собой мучнистую массу белого цвета, покрывающую сталагмиты и в отдельных случаях образующую скопления мощностью до 0.5 см возле их основания (табл. 1, рис. 2, б). По данным рентгенофазового анализа, криогенные образования сложены лансфордитом и кальцитом; также в них была отмечена аллотигенная примесь кварца (рис. 9).
Лансфордит MgCO3·5H2O представлен хорошо образованными кристаллами размером до 400 микрон (рис. 10, а, б), кальцит формирует обрастания вокруг кристаллов лансфордита (рис. 10, в). На кальците зачастую наблюдается пленка гидрооксидов железа и марганца (рис. 10, г), которая придает частицам коричневый цвет.
ИЗОТОПИЯ КИСЛОРОДА И УГЛЕРОДА
Изотопный состав С и О “жемчужин”, криогенной муки, пещерной пудры и вмещающих пород представлен на рис. 11.
Изотопный состав вмещающих пород варьирует δ18O от –11.5 до –12.6 ‰ VPDB и δ13C от –3.6 до +1.1 ‰ VPDB. Эти значения, в целом, соответствуют составу типичных морских осадочных карбонатов.
“Жемчужины”, отобранные в гуровых ванночках на стене пещеры, имеют значения δ18O –7.2 ‰ VPDB и δ13C +4.0 ‰ VPDB, их образование нами связывается с периодическим замораживанием и размораживанием питающих растворов и собирательной перекристаллизацией криогенного материала, подобно механизму, описанному для пещеры Победа (Киндерлинская), расположенной в республике Башкортостан (Кадебская, Чайковский, 2014).
Изотопный состав криогенной муки из пещеры составил δ18O от –4.6 до –6.7 ‰ VPDB и δ13C от +18.4 до +18.8 ‰ VPDB, что соответствует изотопному составу кальцита, который образуется в условиях быстрой (шоковой) кристаллизации. При образовании таких кристаллов главным является кинетический эффект, связанный с быстрым удалением CO2 и неравновесным испарением воды (Killawee et al., 1998), что отражается в росте содержания 13C при почти постоянном значении δ18O. Замораживание происходит настолько быстро, что фракционирование изотопов кислорода между водой и льдом не происходит, а подвижный изотоп 12C переходит в углекислый газ (Zak et al., 2018).
Изотопный состав пещерной “пудры”, состоящей из гидромагнезита, равен δ18O ‒1.1 ‰ VPDB и δ13C +6.3 ‰ VPDB. Значение δ18O соответствует δ18O VSMOW и составляет 29.7 ‰. Такой состав характерен для месторождений с высоким содержанием гидромагнезита в современных эвапоритовых озерах (Zachmann, 1986; Braithwaite, Zedef, 1996) и ясно указывают на то, гидромагнезит из воды осаждается при быстром испарении (Wilson et al., 2010).
Согласно теоретическим расчетам (O’Neil, Barnes, 1971), атмосферный CO2 имеет δ13C от 9 до 7 ‰. Гидромагнезит, который осаждается в равновесии с атмосферным CO2 (с δ13C от 7 до 9 ‰), характеризуется δ13C от 1.2 до 7.6 VPDB (Clark, Fritz, 1997). Эта тенденция к обогащению 13C согласуется либо с очень медленной диффузией атмосферного СО2 в раствор, либо дегазацией легкого СО2 из раствора.
В целом отмечается обогащение δ13C и δ18O вторичных образований от кальцитовых “жемчужин” к пещерной пудре и криогенным образованиям.
ОБСУЖДЕНИЕ
Была построена диаграмма расчета молекулярного соотношения СаО, МgO и СO2 во вмещающих породах, льдах и минеральных образованиях п. Гребневская (рис. 12). На диаграмме можно видеть, что при некоторых различиях содержаний СаО и MgO в составе вмещающих пород составы льда имеют весьма близкие содержания СаО и MgO и из растворов отлагаются сходные минералы. При сравнении друг с другом элементного состава минеральных образований п. Гребневская наблюдается увеличение содержания магния от кальцитовых образований (“жемчужин”) к криогенным образованиям и пещерной “пудре”.
Обычно пещерный “жемчуг” формируется в мелких подземных водоемах со слабым движением воды (за счет падающих в водоем капель или впадающего ручья); при этом, чем быстрее циркуляция воды, тем более гладкой становится поверхность сферолитов вследствие их вращения и обтачивания (Hill, Forti, 1997). Строение “жемчужин” из п. Гребневская указывает на их формирование в условиях минимального движения воды. Учитывая морфологию, пространственное положение и минеральный состав “жемчужин”, можно предположить, что данные образования были сформированы при падении капель в наполненные водой углубления в кальцитовой коре (так называемые гуровые ванночки). При этом их изотопный состав сходен с составом мелкозернистых криогенных образований из п. Скеришоара (Zak et al., 2008). Это допускает режеляционный механизм формирования данных образований – то есть связанный с размораживанием и собирательной перекристаллизацией оттаявшего криогенного материала.
Нахождение коровидных агрегатов и пещерных “пузырей” совместно с “пудрой” объясняется, по-видимому, перекристаллизацией и цементацией мелкокристаллических образований при сезонном увлажнении. На это косвенно указывает и приуроченность кор и пещерных “пузырей” к нижним границам скоплений “пудры”.
Гидромагнезит часто встречается в пещерах и является распространенным минералом микрозернистых образований (пещерная “пудра”, “лунное молоко”) (Hill, Forti, 1997). Его образование в основном связано с растворами, обогащенными Mg. Также высказаны предположения (Canaveras et al., 1999; Power et al., 2009) о его органическом генезисе. Рост гетеротрофных бактерий, использующих органический углерод из растворенных органических веществ вызывает повышение щелочности в их микросреде (растворах) и благоприятствует образованию гидромагнезита. Образование монокристаллических игольчатых образований связывалось всегда с присутствием органического вещества (Verrecchia, Verrecchia, 1994). Отличие морфологии и изотопного состава гидромагнезита пещерных “пузырей” и “пудры” из п. Гребневская позволяет нам отнести его к абиогенным образованиям.
В п. Гребневская вода попадает исключительно за счет прямой инфильтрации. Гидромагнезитовые спелеотемы являются агрегатами современного этапа минералообразования в пещере и образуются при быстром испарении в практически безводных условиях. К современному этапу минералообразования относится также и формирование криогенных минеральных образований, в в составе которых преобладает лансфордит. По составу криогенные образования рассматриваемой пещеры сходны с криогенными образованиями пещер Хрустальная и Онотская (Базарова и др., 2016). Лансфордитовый состав криогенных образований в п. Гребневской обусловлен высоким содержанием ионов магния в наледеобразующих растворах за счет выщелачивания вмещающих доломитов. Специфической чертой криогенного материала из п. Гребневская является примесь оксидов железа и марганца, наличие которой связано с повышенным содержанием данных элементов во вмещающих породах. Следует отметить, что в целом такие примеси не характерны для криогенных образований.
По результатам изучения отложений п. Гребневская была построена схема предполагаемых этапов эволюции подземной полости и условий формирования минеральных агрегатов в ней (рис. 13). Расположение пещеры в береговом утесе, ориентировка основного хода параллельно руслу реки, остроугольные и местами щелевидные сечения ходов с глыбовыми завалами на полу и сужениями в верхней части дают основания полагать, что полость сформировалась по трещине бортового отпора (рис. 13, а). Впоследствии исходная полость была расширена при размывании пласта наиболее растворимых карбонатных пород, зажатого между пластами песчаников и алевролитов, и частично заполнена тонкозернистыми рыхлыми водными механическими осадками (рис. 13, б). После того, как исходная полость была перекрыта обвалившимися со склона блоками вмещающих пород, скорость и объем водопритока снизились. При стекании раствора по стенам пещеры сформировались мелкие сталактиты и кальцитовые коры, в том числе ступенчатые коры с углублениями – так называемые гуровые ванночки (рис. 13, в), в которых был обнаружен пещерный “жемчуг”. Образование “жемчуга” мы связываем с изменением пещерного микроклимата, когда поступающая в пещеру вода замерзала поверх кальцитовых кор и внутри гуровых ванночек (рис. 13, г). При усилении врезания русла р. Уды произошло образование современного входа, что вызвало изменение циркуляции воздуха в подземной полости, вследствие чего наледь исчезла, а на стенах в наиболее сухих и продуваемых участках сформировались гидромагнезитовые отложения (пещерная пудра и “пузыри”) (рис. 13, д). Кроме того, в привходовой части пещеры в зимний период начали формироваться ледяные сталагмиты, на поверхности которых при испарении льда отлагались криогенные лансфордитовые образования (рис. 13, е).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Особенностью минерализации п. Гребневской является слабое развитие кальцитовых и арагонитовых образований и широкое распространение гидромагнезитовых образований в форме мелкокристаллических покровов (пещерная “пудра”), тонких кор и агрегатов (пещерные “пузыри”). В привходовой части пещеры распространены лансфордитовые образования.
Кальцит и арагонит слагают маломощные коры, небольшие сталактиты и кораллиты, которые были сформированы при слабом, но постоянном притоке раствора. Их наличие указывает указывают на существование в пещере в прошлом условий частичной обводненности и, по-видимому, теплый климат.
Что касается кальцитового “жемчуга” режеляционного генезиса, то эти образования были сформированы после отложения кальцитовых кор, в условиях повторяющихся процессов замерзания и оттаивания раствора, при более холодном климате на поверхности.
Производными современных процессов минералообразования являются гидромагнезит и лансфордит. Лансфордит имеет криогенное происхождение и приурочен к зоне отрицательных температур. Гидромагнезитовые агрегаты формируются при быстром испарении раствора в практически безводных условиях в зоне положительных температур в пещере. Вероятно, гидромагнезит следует считать индикатором сухих хорошо вентилируемых условий в подземных полостях. Захороненные залежи этого материала могут указывать на существование таких условий в прошлом.
В работе задействовалось оборудование ЦКП “Геодинамика и геохронология” Института земной коры СО РАН в рамках гранта № 075-15-2021-682.
Изотопные исследования были выполнены при поддержке гранта РФФИ № 16-55-14002 “Миграция границы многолетней мерзлоты на границе Европа-Азия в плейстоцене” и гранта FWF № I027070 “Pleistocene permafrost boundary shifts at the Europe-Asia border”.
Авторы благодарят Э.А. Силушкину за помощь в отборе образцов, а также А.Г. Докучаева и С.Ю. Пономарева за предоставленные образцы и фотографии.
Список литературы
Базарова Е.П., Кадебская О.И., Кононов А.М., Ущаповская З.Ф. Условия и особенности криогенного минералообразования в пещерах южной части складчатого обрамления Сибирской платформы (Западное Прибайкалье и Восточный Саян) // Вестник Пермского университета. Геология. 2016. Вып. 2 (31). С. 22–34.
Дублянский В.Н. Занимательная спелеология. Челябинск: Урал-ЛТД, 2000. http://rgo-speleo.ru/books/zanimatelnaya_speleologia.htm
Иркутская область: экологические условия развития. Атлас. Москва – Иркутск, 2004.
Кадебская О.И., Чайковский И.И. Минеральные образования пещеры Победа (Башкортостан), связанные с формированием и оттаиванием многолетнего льда // Известия РАН. Серия географическая. 2014. № 3. С. 66–72.
Мальцев В.А. Минералы системы карстовых пещер Кап-Кутан (юго-восток Туркменистана) // Мир Камня. 1993. № 2. http://vl-maltsev.narod.ru/liter_ws_r.html
Максимович Г.А. Основы карстоведения. Т. 1. Пермь, 1963. 445 с.
Объяснительная записка к государственной геологической карте Российской Федерации. Масштаб 1 : 1 000 000. Серия Ангаро-Енисейская. Лист N-47 – Нижнеудинск. Санкт-Петербург: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2012.
Осинцев А.В. Крупные пещеры Байкальского региона – новейшие исследования / Спелеология и спелестология – развитие и взаимодействие наук. Сборник материалов международной научно-практической конференции. Набережные Челны: НГПИ, 2010. С. 99–101.
Степанов В.И. Периодичность процессов кристаллизации в карстовых пещерах / Труды минералогического музея им. Ферсмана. Вып. 20. Москва. 1971. С. 161–171.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Записки Российского минералогического общества