logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Кунгурская Ледяная пещера: опыт режимных наблюдений / Под ред. В.Н. Дублянского. - Екатеринбург: УрО РАН,2005. - 376с. - [Гл. 13. Отложение / Н.Е. Молоштанова, Н.Г.Максимович, В.Н. Дублянский, Б.Р. Мавлюдов, У.В. Назарова]


Н. Е. Молоштанова, Н. Г.Максимович, В. Н. Дублянский, Б. Р. Мавлюдов, У. В. Назарова
13.5. ВОДНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ

Субтерральные отложения. Под этими отложениями Г. А. Максимович [260] понимал различные карбонатные натечные образования: сталактиты, сталагмиты, колонны, покровы и пр. Так как над большей частью пещеры тюйская карбонатная пачка не сохранилась, а обломков крупноглыбового горизонта недостаточно, чтобы насытить инфильтрационные воды карбонатом кальция, в Кунгурской пещере они развиты слабо.
Корочки кальцита образуются при испарении пленочных растворов на поверхности пористых ангидритов и гипсов (гроты Атлантида, Великан, Грязный, Длинный, Дорофеева). Обычно они тонкозернистые, местами — мелкозернистые, светло-серые или снаружи коричневато-кремовые, внутри — молочно-белые с тонкозернистой сахаровидной структурой. Состоят из кальцита с незначительной примесью гипса. Толщина корочек колеблется от 2—3 до 5 мм. Спектральный анализ показал постоянное присутствие в них Sr. В разных количествах присутствуют также Mg, Al, Fe, Mn, связанные с глинисто-доломитовыми частицами и придающие кристаллам серую или коричневую окраску. За гротом Грязный обнаружены сталактиты длиной до 5 см.
Техногенные натеки. При оборудовании туристских маршрутов в пещеру привнесено большое количество аллохтонного материала (песок, щебень, цемент и пр. [24]), что вызвало формирование специфических минеральных образований. В октябре 1975 г. в гротах Атлантида, Длинный, Романтиков, Хлебниковых проводились работы по ремонту каменной кладки. В тех местах, где по ней стекала вода, уже в ноябре на выступах цемента появились белые трубчатые тонкостенные сталактиты-соломки длиной до 10 см. В апреле 1981 г. в проходе Длинный — Великан на стене ограждения обнаружены кальцитовые трубочки длиной 7-10 см и толщиной до 4 мм, а на бетонной тропе появились высыпки кальцита, после высыхания обращающиеся в белый порошок, в котором под бинокуляром видны ромбоэдрические кристаллы кальцита. В декабре 1985 г. в проходе между гротами Грозный и Смелых из цемента каменной кладки вырос сталактит-трубочка длиной 30 см.
Субаквальные отложения. Для Кунгурской пещеры характерна кальцитовая пленка, образующаяся на поверхности воды озер. Первые ее описания дал Е. П. Дорофеев [108, 110], а затем Г. А. Максимович [265], К. А. Горбунова и др. [80].
По Е. П. Дорофееву [108], пленки образуются на поверхности всех озер пещеры. Позднее [110] он привел карту пещеры по состоянию на март 1968 г. Озера в гротах Великан, Вышка, Грязный (юг), Длинный (север), Космический, Перепутье были покрыты сплошной кальцитовой пленкой, в озерах гротов Близнецы, Географов, Геологов, Длинный (восток, юг), Дружбы Народов, Мокрая Кочка наблюдались пятна пленки.
В рабочем журнале Е. П. Дорофеева приведены данные о наличии и характере пленок на разных озерах Кунгурской пещеры за 1978-1987 гг. — более 800 наблюдений. Для статистической обработки был формализован материал [347]. Выделены восемь ситуаций: тонкий налет, забереги, корочка, единичные тонкие пятна, единичные толстые пятна, множество тонких пятен, множество толстых пятен, пленка отсутствует. Затем эти данные были «свернуты» в аналитическую таблицу 13.7. В 40 % случаев пленка на озерах отсутствует, чаще других встречаются тонкие налеты и мутные корочки (по 15 %), реже — различные пятна (6-7 %), изредка встречаются забереги (2 %).
Распределение кальцитовых пленок по сезонам различается слабо: больше всего их весной и осенью (75 %), меньше — зимой (60 %), еще меньше — летом (55 %). Встречаемость пленок разных видов примерно одинакова. Чаще других весной и осенью встречается корочка (20 %).
Кальцитовая пленка встречается почти во всех озерах Кунгурской пещеры. Ее тонкий налет чаще других отмечен в озерах гротов Атлантида и Дружбы Народов (25 % случаев, в остальных гротах — 13-20 %); реже всего она встречается в гроте Романтиков и отсутствует — в гроте Вышка. Забереги во всех гротах редки (2-3 %) или вообще отсутствуют (озера в гротах Вышка, Лукина, Длинный). Корочка чаще всего встречается в гротах Вышка (46 %) и Великан (23 %), реже (11-20 %) — в гротах Атлантида, Геологов, Романтиков, Лукина. Единичные тонкие пятна часты в гротах Геологов, Дружбы Народов, Колизей (11-18 %), более редки — в гротах Атлантида, Длинный, Великан, Романтиков, отсутствуют — в Лукина и Вышке. Единичные толстые пятна обильны в гротах Атлантида, Великан, Дружбы Народов, Вышка (11-20 %) и более редки — в гротах Геологов, Длинном (северное и восточное озера), Романтиков, Колизей; не отмечены они в Длинном (южное озеро). Множественные тонкие пятна преобладают в гроте Лукина (41 %); часты они в гроте Великан, Дружбы Народов, Романтиков (12-14 %), реже встречаются в остальных гротах (9-10 %), вообще отсутствуют — в гротах Лукина и Длинный. Множественные толстые пятна наиболее часты (12-20 %) в гротах Великан, Дружбы Народов, Романтиков, Вышка; редки (1-3 %) — в гротах Атлантида, Геологов и Колизей; отсутствуют в озерах грота Длинный.
Таблица 13.7 Распределение кальцитовых пленок по гротам, %
Примечание: «-» — сведения на момент существования пленки отсутствуют.
Таким образом, кальцитовая пленка чаще всего (50-55 % случаев) отсутствует в озерах гротов Длинный и Колизей; в гротах Дружбы Народов и Лукина она отсутствует в 13-15 % случаев, в гроте Вышка — всего в 7 %. Наибольшая вариация видов пленок (CV = 1,04-1,29) отмечена для гротов Вышка, Лукина, Длинный (южное озеро), через которые проходит основной поток воды в паводок; наименьшая (0,35-0,51) — Дружбы Народов и Романтиков.
На мелководье в северной части грота Географов, а также на глыбах в затопляемой части пещеры Е. П. Дорофеев обнаружил скопления кальцитовой пленки в виде холмиков с ямкой наверху; они появляются в тех местах, где с потолка капает вода. Под ударами капель пленка ломается и тонет, а к зоне капели стягивается новая пленка. Так возникает груда толщиной до 3-4 см, в которой капли выбивают ямку. Обломки пленки лежат на дне озер годами, постепенно покрываясь тонким слоем ила.
В образовании и сохранении пленки выявлен ряд закономерностей. Массовое образование кальцитовых пленок отмечается при осеннем подъеме карстовых вод; сначала они появляются на поверхности глубоких взаимосвязанных между собой озер, а изолированные мелководные озера дольше остаются чистыми. В последующие месяцы происходит перераспределение пленок — они исчезают с поверхности озер на пути подземного потока из грота Вышка через южную часть грота Великан в грот Длинный. В стороне от этого потока поверхность озер покрывается тонким налетом, а изолированные озера (на севере грота Великан, на юге грота Длинный) — сплошной мутной корочкой, достигающей наибольшей толщины к марту. В весенний паводок пленки исчезают почти на всех озерах (в период наводнения 1979 г. отмечено их полное исчезновение).
В зонах интенсивной капели менее минерализованных вод из трещин и органных труб на некоторых озерах (западнее грота Длинный, между гротами Великан и Вышка) кальцитовая пленка не образуется. После спада паводка часть пленки остается на берегах озер, являясь индикатором максимальных уровней воды.
Неравномерное распределение кальцитовых пленок, возможно, связано с различной степенью водообмена. В озерах, где движение воды отсутствует, кальцитовая пленка покрывает ее поверхность сплошным слоем (у водомерных постов в гротах Великан, Длинный); в озерах с круговым движением воды (в гротах Атлантида, Длинный южное и северное, Дружбы Народов, Колизей, Романтиков) кальцитовая пленка плавает отдельными пятнами, не срастаясь в сплошной покров (во всех случаях вращение воды было правое — по часовой стрелке).
Е. П. Дорофеев [108] полагал, что кальцитовые пленки могут являться показателем изменения химического состава воды озер, смешения вод разного химического состава и температуры, испарения пересыщенной воды, отжима вод, насыщающих глыбово-глинистый слой на дне пещеры, или всплывания кристаллов, покрывающих поверхность увлажненной глины при затоплении пещеры. Статистически достоверные связи изменений видов и количества пленок с перечисленными факторами не прослеживаются. Не обнаружена связь между ними и уровнями, температурой и химизмом воды и для отдельных озер.
Об этом свидетельствуют наблюдения, проведенные с октября 1977 г. по декабрь 1980 г. на озерах в гротах Длинный и Дружбы Народов (рис. 13.4).
Рис. 13.4. Ход уровней (а), общей минерализации (6) и образования пленки на поверхности озера в гроте Дружбы Народов в 1978-1980 гг. Виды пленки: 1 — одиночные пятна, 2 — тонкий налет, 3 — толстый налет
Сведений о минералогическом составе пленок немного [303]. В гроте Ночь Осенняя после понижения уровня озера на высоте 3,0-3,5 м со стены отобран образец кальцитовой пленки буровато-серого цвета, сложенный тонкими пластинками размером 0,5-5,0 мм и толщиной 0,01 мм. Для кальцита характерны микрозернистая структура и пористая кружевная текстура. За счет примеси глинистого материала и частиц гипса пленка имеет буровато-коричневый цвет. В центре озера грота Великан пленка кальцитовая (100 %), микропористая (рис. 13.5), тонкозернистая с зернами не крупнее 0,01 мм. Микроскопические исследования показали, что в составе пленки присутствуют образования кальцита двух форм: кристаллы первой генерации служат «затравками» и имеют хорошо образованные грани размером 0,01 мм; кристаллы второй генерации размером не более 0,005 мм скрепляют отдельные индивиды, образуя сплошную пленку толщиной до 0,02 мм.
В прибрежной части озер для пленки характерен доломитово-кальцитовый состав с примесью ангидрита, гипса и глинисто-терригенного материала (от 10 до 30 %). Карбонатная часть состоит из тонкозернистых агрегатов с преобладанием кристаллов ромбоэдрической, тригонально-призматической и реже скаленоэдрической формы размером 0,03- 0,05 мм. Гипс представлен игольчатыми и пластинчатыми зернами, ангидрит характеризуется изометричным обликом зерен размерами не более 0,01 мм и агрегатами из гипса и ангидрита, часто насыщенными глинисто-алевритовой примесью, в составе которой установлены кварц, плагиоклаз, микроклин, смектит, иллит, каолинит. По данным РСА, соотношение глины и алеврита в примеси составляет 1:4,5.
Кристаллы автохтонных минералов. Основным источником формирования вторичной минерализации Кунгурской пещеры служат породы ледянопещерской и неволинской пачек.

Рис. 13.5. Кальцитовая пленка на поверхности озера в гроте Великан [302]
Ледянопещерская пачка слагается в основном ангидритом (общая мощность 20 м), гипсом (6 м), доломитом (1,4 м). Кроме того, в ней встречаются песчаниковые и песчано-глинистые линзы [94].
Первичный минеральный состав ангидритов в приповерхностной зоне связан со сменой проницаемости пород от поверхности массива в глубину на участках дробления и повышенной трещиноватости, а также со сменой проницаемости на контактах перекрывающих и подстилающих отложений. Интенсивность процессов гидратации возрастает на участках развития карстовых форм, локализующих поверхностный и подземный стоки. Присутствие смешаннослойных минералов, кварца и ангидрита (до 30,0; 7,0; 3,0 % соответственно) при изменениях содержания гипса от 70 до 100 % формирует фоновую картину соотношения минералов.
Приведенное соотношение является общим для приповерхностных сульфатных толщ иренского горизонта кунгурского яруса, слагающих ряд карстовых районов Предуралья и связано в первую очередь с особенностями распределения тектонических трещин и состава перекрывающих отложений. Для зон дробления пород характерно присутствие доломита, гравитационно и химически перераспределенного из перекрывающих толщ.
Сульфатные породы на участках сгущения тектонических трещин характеризуются наличием смешаннослойных минералов (до 30 %), кварца (до 14 %), доломита (до 12 %) и ангидрита (до 6 %). Глинистые минералы, кварц и доломит во взвешенном и растворенном состоянии инфильтраци-онными водами привносятся из перекрывающих отложений и концентрируются на путях их движения в трещинах.
Приведенный выше минеральный состав сульфатных отложений характерен только для «оболочки» массива. Внутренние его части, как правило, не содержат примесей или их очень мало (до 10 %). Находящиеся здесь карстовые полости оказывают неодинаковое влияние на минеральный состав пород. Сфера влияния карстовой формы на состояние и состав пород, в которых она развита, зависит от ее морфологии и морфометрии, степени гидрогеологической активности и длительности существования в активном режиме. Эти вопросы были исследованы на участке выходной штольни, вскрывшей в 1992 г. грот Вышка ([177, 253, 344], рис. 13.6). Межтрещинные блоки характеризуются высоким содержанием ангидрита (более 80 %) и низким — гипса (менее 20 %). Влияние грота Вышка «очерчивается» радиусом 4-5 м. Здесь содержание гипса достигло 100 % по сравнению с 5-10 % в соседнем участке штольни. Глубина влияния единичной трещины составляет 1,5-2,0 м, а поверхности Ледяной горы — 7-8 м.
Песчаник. На переходе из грота Смелых в Грозный описана линза песчаника бурого мелкозернистого (0,1-0,2 мм) с комками глины размером до 6 см. Текстура его микрослоистая, структура псаммитовая, состав полиминеральный (состоит из зерен кварца, полевых шпатов, обломков алевролита, карбонатных, кремнистых и ожелезненных пород, зерен глауконита). Цементом является более тонкий материал аналогичного состава с примесью кальцита. По данным РСА, в его состав входят кварц, плагиоклазы, доломит, кальцит, иллит.
Рис. 13.6. Рентгеноструктурный анализ образцов гипса (1) и ангидрита (2) из выходного тоннеля [344]. а — содержание и пробе; б — степень текстурированности; в — общий показатель деформированности; г — значения макронапряжений; д — интенсивность рассеяния импульсного луча, n·10-3 мм2
На контакте с линзой гипсоангидритовая порода сильно изменена и представляет собой комковатую, рассыпчатую массу бурого цвета. Обломки гипсоангидрита размером 2,0-5,5 см обволакиваются глиной, содержащей доломитовую пыль. Часть обломков сложена известковистой глиной. В шлифе участки гипса разделяются песчанистыми и глинисто-карбонатными пелитоморфными образованиями, что придает породе брекчиевидность. Создается картина раздробления гипсовой породы, в которую по трещинам «затягивался» обломочно-карбонатный материал с угловатыми обломки кремнистых пород, кварца, полевых шпатов, измененных эффузивных пород. Цементирующий их карбонатный материал интенсивно ожелезнен и имеет бурую окраску. В состав терригенной примеси входят кварц, гипс, доломит, плагиоклазы, кальцит, микроклин, смектиты, иллит, каолинит.
В гроте Данте описана рыхлая буровато-серая грубодисперсная масса с псаммитовой примесью. В отраженном свете она состоит из скопления мелких зерен (от сотых долей до 5 мм), собранных в рыхлые агрегаты, связующей массой которых является кальцит. Форма отдельных зерен округлая, неправильная с неровными поверхностями. Основная их масса светлосерая, полупрозрачная со стеклянным блеском. Отмечаются единичные зерна желтого, кремового, буровато-коричневого (со смолянистым блеском) цвета. Образец содержит кварц, плагиоклаз, доломит, микроклин, гипс, смектиты, кальцит, ангидрит, иллит, хлорит.
В гроте Полярный описана рыхлая псаммитовая масса с примесью дресвы, включающая более крупные карбонатные обломки неправильной формы серо-бурого цвета. По данным РСА, она состоит из кварца, доломита, плагиоклаза, гипса, кальцита, целестина, микроклина, смектитов, каолинита, иллита.
В Коралловом гроте песчано-алевритовая масса представлена зернами кварца (45 %) и полевых шпатов (43 %). Зерна кварца имеют размер 0,1-0,2 мм, полупрозрачные, светло-серого или кремового цвета, обусловленного гидроокислами железа; зерна изометричные, хорошо окатанные, единичные — с неровной корродированной поверхностью. Зерна полевых шпатов (плагиоклаз, реже микроклин) имеют размер 0,2-0,3 мм, белые или светло-серые, таблитчатые со сглажеными ребрами. Агрегаты карбонатов и глины размером до 0,4 мм со следами выщелачивания, коричневого, желтого и красного оттенков (благодаря наличию окислов и гидроокислов железа). Встречаются единичные зерна темноцветных минералов (возможно, из эффузивов), темно-серые с зеленоватым оттенком, изометричные, с неровной поверхностью.
Таблица 13.8 Морфология и состав кристаллических отложений Кунгурской пещеры (встречаемость в гротах), %
Неволинская пачка представлена доломитами серыми, темно- и желтовато-серыми (14 м), в верхней части обычно тонкослоистыми, в нижней — органогенно-оолитовыми с ядрами крупных брахиопод. В них встречаются прослои темно-серой глины и слой гипса. Карстовый процесс сопровождается глубоким геохимическим преобразованием пород, промежуточными и конечными продуктами которого являются глубоко измененные породы, остаточные продукты их выщелачивания, вторичные минеральные новообразования.
Вторичные минералы в коренных отложениях. В составе коренных отложений, вмещающих полости Кунгурской пещеры, находятся сульфатные (ангидрит, гипс) и карбонатные (доломит, известняк) породы. Это определяет богатство их вторичных минеральных образований (селенит, марьино стекло, отдельные кристаллы, корочки, россыпи кристаллов гипса и пр.). Морфология отложений, их состав и распределение по гротам приведены в табл. 13.8. Кристаллическими формами более богата экскурсионная часть (15 видов), бедна — заповедная (10). В последней большинство кристаллических форм встречается реже, чем в экскурсионной. Исключение составляют игольчатые кристаллы гипса, марьино стекло и кристаллический порошок.
Селенит. Прослои селенита толщиной до 2-5 см встречаются на контактах пластов частично гидратированных ангидритов и доломита в гротах Атлантида, Близнецы, Вышка, Вышка II, Грозный, Западный, Космический, Крестовый, Первый, Переслегина, Полярный, Смелых, Хрустальный (рис. 13.7). Их формирование происходило в твердой среде, на участках, где давление окружающих пород было меньше критического. Гидратация вызывала увеличение объема исходного вещества, сопровождающееся пластическими деформациями, расслоением, образованием трещин. Вторичные таблитчатые кристаллы росли, отодвигая посторонние включения на периферию.

Рис. 13.7. Белый селенит на доломите (ход Хрустальный)

Рис. 13.8. Прозрачный кристалл таблитчатого гипса (ход Хрустальный)

Рис. 13.9. Столбчатые кристаллы гипса в гроте Географов
Пластинчатый гипс («марьино стекло»). В гротах Бриллиантовый, Вышка II, Полярный, Хрустальный в пустотах выщелачивания среди доломитовых прослоев в ангидритах встречаются включения пластинчатого гипса размером до 2 см. Отдельные кристаллы достигают 30 см в длину. Цвет белый, розовый, зеленоватый, серый. Некоторые кристаллы представляют собой чистый оптический гипс (рис. 13.8).
Кристаллы гипса. Столбчатые кристаллы встречены в гротах Бирюзового озера, Близнецы, Географов (рис. 13.9), Грозный, Перепутье, Переслегина, Вышка II, Великан, Романтиков. Их длина достигает 3 см, толщина 0,2 см. Чаще встречаются плоские иглы с прямоугольной вершиной. Они обычно нарастают друзами на корочках перекристаллизованного гипса. Конкреции со щетками игл длиной в 0,5 см найдены в гротах Бирюзового озера, Длинный, Великан, Вышка, Колизей, Ночь Осенняя, Руины, Смелых, Тернистый Путь.
В гроте Смелых описан нитевидный кристалл диаметром 0,1 мм, а в Грозном — спутанно-волокнистое гипсовое образование. В гроте Колизей обнаружены чешуйчатые кристаллы светло-коричневого цвета; в гротах Вышка, Космический, ходе Хрустальном — шестоватые кристаллы длиной 2-4 см, белые, полупрозрачные. В гротах Колизей, Великан и в ряде ходов часто встречаются светло-коричневые двойниковые кристаллы, иногда образующие сплошной слой (рис. 13.10). Кристаллизация пластинок гипса происходила из сульфатных растворов, пропитывающих глину. В гроте Колизей, в ходах к западу от грота Смелых и к юго-западу от грота Грязного в глине обнаружены светло-коричневые дендриты, имеющие размеры до 10 см в поперечнике. Наблюдаются случаи взламывания глинистой корочки растущими кристаллами. Во влажную глину, заполняющую трещины или осевшую на обломках ангидрита и гипса, прорастают пучки полупрозрачных кристаллов, образующие коры толщиной до 3 см. Некоторые трещины, заполненные в прошлом глиной, полностью «залечены» вторичными кристаллами гипса.
Кристаллизация гипса при испарении пленочных растворов на гипсово-ангидритовом основании приводит к образованию «гипсовых ежей» — радиально-лучистых агрегатов гипса из множества разноориентированных иголочек (рис. 13.11). Гипс пластинчатый, игольчатый, мелкозернистый; размеры зерен изменяются от долей до 2 мм. Текстура в центре образования беспорядочная, по краям — радиально-лучистая, пористая (размеры пор между зернами до 2 мм). Е. П. Дорофеев обнаружил такие гипсовые образования на стене между гротами Крестовый и Руины, а также в гроте Хрустальный.
В местах падения капель (грот Географов, проход между гротами Крестовым и Руины и др.) на глыбах образуются валики из мелких пластинок гипса, а в глине — гипсовые «розы» (рис. 13.12) и дендриты из полупрозрачных кристаллов (грот Колизей). Выступающие плоские заостренные вершины кристаллов располагаются концентрически, как лепестки роз; в дендритовых сростках они похожи на чешую рыб. На выступах стен органной трубы в проходе между гротами Крестовый и Руины, в местах, где разбиваются капли воды, обнаружены сферолитовые образования диаметром 4-5 мм, сложенные радиально вытянутыми белыми шестоватыми кристаллами гипса.

Рис. 13.10. Двойниковые кристаллы гипса под слоем глины в гроте Колизей

Рис. 13.11. «Гипсовые розы» в гроте Шапка Мономаха

Рис. 13.12. Рельефные зерна целестина (электронная микрофотография [303])
В гротах Бирюзового озера, Вышка, Геологов, Грозный, Грязный, Метеорный, Смелых, поверхность стен местами покрыта кристаллической корой из мелких (0,05 см) кристаллов. В трещинах в коре встречаются призматические удлиненные и прозрачные игольчатые кристаллы гипса длиной до 3 см и толщиной до 0,2 см. В трещинах на стенках грота Грозный обнаружены коры из полупрозрачных гипсовых кристаллов. Длинные оси кристаллов ориентированы перпендикулярно к поверхности коры, на которой выступают острые вершины. Над корой поднимаются гипсовые кораллиты высотой до 4 см, образованные агрегатами кристаллов с округленными вершинами. В изломе обнаруживается характерное двойниковое срастание кристаллов.
Кристаллические отложения Кунгурской пещеры загрязнены пелитовыми частицами, поступающими по трещинам из вышележащей толщи, а также с поверхности при инфильтрации атмосферных осадков. По данным РСА, в их составе находятся кварц, плагиоклазы, микроклин, доломит, кальцит, гипс, ангидрит, смектиты, иллит, хлорит, каолинит и другие более редкие минералы (аллофан, целестин и флюорит).
Мука. В Кунгурской пещере подобные образования имеют разный минералогический состав. В гротах Бриллиантовый, Западный, Полярный, Скульптурный встречена серовато-белая гипсовая мука. В гроте Грязный содержащиеся в сульфатных породах карбонатные примеси накапливаются в углублениях и трещинах в виде белой доломитовой муки.
Россыпи кристаллов. В гроте Великан и у грота Грязного в основании коренных стен и глыб встречаются россыпи кристаллов ангидрита мощностью до 1 см, состоящие из отпрепарированных при растворении серых зерен, иногда испытавших вторичную перекристаллизацию. К западу от грота Вышка на полу хода обнаружены блестящие россыпи щестоватых кристаллов селенита.
Дендриты оксидов и гидрооксидов. В гротах Вышка, Крестовый и др. по трещинам в гипсах обнаружен бурый налет глинистого состава, обогащенный гидрооксидами железа, а среди доломитовых прослоев — дендриты оксидов марганца и оолитовые стяжения из гидрооксидов железа.
Вторичные минералы осыпей. Отложения осыпей формируются под влиянием гравитационных процессов, механического и химического воздействия капающей воды на обломочный материал; физико-химического выветривания обломочного материала; кристаллизации новообразований на поверхности обломков, в пустотах и в кавернах; заполнения каверн глинистым и другим материалом, В результате в осыпях формируются окатыши, стяжения, конкреции, секреции.
Окатыши возникают на осыпях под органными трубами под воздействием капающей воды (гроты Крестовый, Эфирный). Их состав доломитовый или известковый с пелитоморфной или микрозернистой структурой, размеры менее 5 см, округлой или неправильной формы со сглаженными поверхностями и пористо-кавернозной текстурой. Под влиянием эффекта слипания глинистых частиц, насыщенных доломитовой «мукой» или кальцитом, некоторые окатыши образуют непрочные стяжения. В промежутках между слипшимися окатышами иногда отлагаются пластинчатые кристаллы гипса.
Пустоты пор и каверн окатышей, расположенных в верхней зоне осыпей, заполнены глинистым материалом, иногда с примесью гидроокислов железа и терригенного материала в виде единичных окатанных и полуокатанных зерен кварца размером 0,01-0,05 мм. По мере смещения окатышей вниз по осыпи из зоны капели в менее влажные зоны в полостях начинается процесс кристаллизации кальцита (рис. 13.12), гипса, реже — целестина (рис. 13.13).
Стяжения [202]. На поверхности осыпей в гротах Грозный, Крестовый, Морское Дно наблюдаются новообразования, формирующиеся при «слипании» мелких обломков коренных пород размером 2-12 мм. Роль цемента выполняют карбонатно-глинистый материал, гипс, реже — кальцит. Обломки состоят из ангидрита, доломита, известняка, комочков глины. При исследовании под микроскопом установлено, что обломки доломита и известняков чаще всего характеризуются оолитовой структурой. Строение ооидов однородное или зональное. Зональность обусловлена чередованием пелитоморфных и мелкозернистых концентрически расположенных слойков карбонатного материала. Центральная часть ооидов иногда пустая.
Секреции. В гроте Крестовый  Е. П. Дорофеев обнаружил желвакообразную кальцитовую секрецию неправильной формы размером 21×32 мм, а в ней новообразование целестина (SrSO4). Ранее возможность нахождения целестина в отложениях Кунгурской пещеры только предполагалась [299]. Структура секреции меняется от мелко-зернистой до пелитоморфной, текстура пористо-кавернозная (размеры пустот 0,3-2,5 мм), комковатая, участками брекчиевидная. Секреция представляет собой брекчию, сложенную несколькими окатышами коренных пород, сцементированных новообразованиями мелко- и микрозернистого кальцита. На это указывают пелитоморфные структуры отдельных комочков в центральной части, на периферии постепенно переходящие в микрозернистый кальцит с размерами зерен 0,005-0,010 мм. На фоне кальцита четко выделяются неправильные агрегаты, вероятно, заполнявшие часть пористо-кавернозного пространства (до 30 %), представленные кристаллами целестина столбчатой, короткопризматической или, реже, неправильной формы размером 0,2-0,4 мм (см. рис. 13.12). Выделения целестина в форме новообразований установлены еще в четырех гротах Кунгурской пещеры.
Минералы гротов со льдом. Археолог  И. С. Поляков [351] первым обратил внимание на мелкие гипсовые кристаллы, покрывающие поверхность льда Кунгурской пещеры. Кристаллограф  Е. С. Федоров [403] связал их возникновение с таянием или испарением льда.
Россыпи кристаллов гипса с примесью кальцита на поверхности льда, вероятно, возникают в условиях режеляции. Кристаллизация начинается одновременно с замерзанием воды сульфатно-кальциевого состава. При нулевой температуре растворимость гипса резко падает, и часть сульфатов из раствора переходит в твердое состояние. Дальнейший рост кристаллов происходит в результате испарения льда.

Рис. 13.13. Морфология кристаллических агрегатов криогенного гипса [23]. а — сростки уплощенных кристаллов (I тип); б, в — расщепленные формы кристаллов; г — агрегат призматических кристаллов (II тип); д — футляровидные кристаллы; е — индукционная поверхность грани {010}
На поверхности льда в гроте Полярный, в проходах между гротами Бриллиантовый, Данте и Полярный наблюдались россыпи в виде мучнистой массы или в форме хлопьевидных образований [16]. Для них характерна мелкокомковатая текстура; комочки легко распадаются и в некоторых случаях дают реакцию с соляной кислотой. В осадке остаются иголочки и ромбические таблички гипса (типа «лезвие бритвы») размерами 0,01- 0,13 мм по длинной оси, шириной 0,03 мм при толщине в тысячные доли миллиметра. В некоторых случаях скопление иголочек наблюдается в форме звездчатых агрегатов. Кальцит и доломит с примесью тонкозернистого кварца образуют сгустки округлой или неправильной формы размером 0,5-1,0 мм. Некоторые из них окрашены в темно-серый (примесь органики в виде волокон, напоминающих углистое вещество), другие — в слабокремовый цвет (пленки из гидроокислов железа).
Перед гротом Вышка обнаружены рыхлые конкреции белого цвета, похожие на россыпь гороха с поперечником около 0,5 см. Некоторые из них имеют спутанно-волокнистое строение. В углублениях тающего льда у входа в грот Грозный найдены хрупкие сферолиты с выступающими концами игольчатых кристаллов («гипсовые ежи»). Первоначальные кристаллы с размерами около 0,10 мм в полувлажном состоянии перекристаллизовались в лучи — иглы, веером расходящиеся от центров сферолитов, имеющих поперечник до 2 см. В гроте Руины сделана редкая находка — на упавшей глыбе гипса вдоль «залеченной» трещины цепочкой расположились гипсовые конкреции, опушенные белыми радиально вытянутыми тонкими иглами длиной 1 см.
При таянии льда остается «лунное молоко» — белая полужидкая масса, состоящая в основном из кристаллов гипса, иногда кальцита с примесью частичек ангидрита, доломита, кварца, поступившей с капающей водой. При таянии сезонного льда полужидкая масса высыхает, превращаясь в «гипсовую муку» — рыхлые образования из микрокристаллов. Такие отложения установлены на полу гротов Крестовый, Руины, Скульптурный. При испарении зимой ледяных сталагмитов на полу гротов также остается «гипсовая мука».
«Гипсовая мука» под наледью между гротами Бриллиантовый и Полярный была подвергнута детальному минералогическому изучению [23]. Толщина ее слоя на ледяной поверхности сталактитов, сталагмитов и кор — менее 1 мм [16], увеличиваясь в нишах испарения и у основания наледей до 5,0 см и более.
Морфология кристаллов гипса и кальцита изучена при помощи электронного сканирующего микроскопа JSM-35C. Диагностика минералов подтверждена РСА. Кристаллы гипса образованы тремя простыми формами — основными: пинакоидом {010}, ромбическими призмами {120}, {-111}, и второстепенными: {011}, {-103}(?) (рис. 13.13). Выявленные кристаллографические формы типичны для кристаллов гипса различного генезиса [456]. В то же время характер и морфология агрегатов, а также микрорельеф граней кристаллов имеют специфические особенности, позволяющие судить об условиях и механизмах роста криогенного гипса.
В муке обнаружены два типа агрегатов гипса. Первый — параллельные и двойниковые сростки уплощенных по {010}, относительно крупных кристаллов размером до 300-400 мкм, толщиной первые десятки мкм (см. рис. 13.13, а). Их форма указывает на кристаллизацию в среде с плоскостной симметрией, вероятно, в капиллярной пленке раствора. Часто грани пинакоида {010} расщепляются с образованием сферолитов (см. рис. 13.13, б, г). Второй тип образован агрегатами размером 50-100 мкм и представлен щетками (корами) призматических кристаллов с элементами сфероли-тового роста и геометрического отбора (см. рис. 13.13, в). Удлинение кристаллов первого типа обычно параллельно поверхности намораживания, второго — субперпендикулярно.
На кристаллах гипса широко развиты проявления скелетного роста (рис. 13.13, е), характерны также кривогранные поверхности и ребра. Нередко кристаллы агрегатов первого типа имеют асимметричное строение: одна из граней пинакоида {010} имеет гладкую ровную поверхность, другая — индукционную поверхность с округлыми торцами (ступенями) слоев роста (см. рис. 13.13, д). Индукционные поверхности такого типа свойственны синхронному росту пар: дисперсный поликристаллический агрегат (сферолит, мелкозернистый агрегат) — монокристалл [150]. На взаимосвязанное образование кристаллов гипса и льда может указывать обилие пустот в скелетных, футляровидных кристаллах гипса (см. рис. 13.13, е), оставшихся от включений кристаллов льда.
Грани призматического пояса гипса имеют гладкую поверхность, тогда как поверхность граней ромбической призмы {111} неровная, бугристая. Характер агрегатов гипса указывает на кинетический режим роста кристаллов и их кристаллизацию из существенно пересыщенного раствора. Появление расщепленных форм гипса может быть также связано с примесями натрия и обусловлено автодеформационным механизмом расщепления [199, 359].
Наблюдения за механизмом формирования подземных наледей и морфологические признаки кристаллических агрегатов гипсовой муки позволяют предложить схему формирования этого оригинального типа пещерных новообразований. На стадии просачивания атмосферных вод слабоминерализованные (менее 300-500 мг/дм3) агрессивные воды интенсивно растворяют сульфатные породы, насыщаясь при этом до 800-1500 мг/дм3 и приобретая СК гидрохимический тип. Несмотря на высокую минерализацию, инфильтрационные воды остаются ненасыщенными по отношению к гипсу. В привходовой части пещеры они охлаждаются и, замерзая слой за слоем, наращивают толщину пещерных наледей.
Замерзание воды из-за высокого содержания растворенных солей происходит постепенно. Процесс кристаллизации льда сопровождается переохлаждением жидкой фазы и повышением концентрации солей в остаточном растворе. В нем и происходит кристаллизация гипса, а затем и кальцита (рис. 13.14). При кристаллизации последнего, возможно, важную роль играет дегазация раствора, уменьшающая его карбонатную емкость. Под действием воздушных потоков лед испаряется, а кристаллы гипса остаются на его поверхности в виде мучнистого порошка. В процессе замерзания сульфатных кальциевых вод из остаточных растворов кристаллизуются гипс и кальцит (криокристаллизационная стадия).
Освобождение минеральных частиц изо льда и их накопление происходят при таянии и испарении подземных льдов. Таяние сезонных пещерных льдов наиболее активно в весеннее время. В это время ледяные сталактиты и сталагмиты часто «белеют», становятся слабопрозрачными. В зоне сезонного оледенения к лету на месте растаявшего ледяного сталагмита остается только светлое мучнистое пятно, быстро растворяемое атмосферной влагой или после высыхания развеваемое воздушными потоками. В случае многолетних льдов мучнистый порошок наиболее активно выступает на поверхности льда в зимнее время, в период их интенсивного испарения. В это же время происходит накопление муки и образование мучнистых отложений у основания наледей в зоне сезонного оледенения.

Рис. 13.14. Расщепленные формы криогенного кальцита, представленные острым ромбоэдром {04-41} [23]. а — сферолит, б — сноповидный кристалл
Аэрозольные образования. В гротах с повышенной концентрацией аэрозольных частиц происходит накопление специфических образований. Высокие концентрации аэрозолей характерны для более холодных частей гротов, причем отмечаются значительные колебания их значений (от 0 до 40 %). В их составе преобладают сажистые частицы диаметром до 1 мкм. Предполагается [22, 337 др.], что аэрозоли могут формироваться при отрыве мельчайших частиц породы от потолка и стенок с отрицательным уклоном, но количество их таково, что в течение года может образоваться слой толщиной 2 мкм.
К аэрозольным образованиям относится гипсовый мох — сезонные новообразования тонкоигольчатых и волокнистых кристаллов длиной 1,5-4,5 см и диаметром около 0,01 мм, ориентированных под углами 70-85° относительно потолка. Кристаллы очень хрупкие, разрушаются в течение 1-2 ч. Изучение под микроскопом и РСА показали, что в состав кристаллов входят гипс (87 %), доломит (11 %), ангидрит (2 %). Новообразования такого типа могли кристаллизоваться в случае насыщения пещерных аэрозолей катионами кальция и сульфат-ионами, которые при резком похолодании могли образовать твердую фазу. Гипсовый мох формируется только в тупиковой части грота Полярный, там, где длительное время сохраняются низкие температуры и отсутствует сильное движение воздуха.
В марте 1998 г. был проведен повторный отбор проб волокнистых кристаллов из грота Полярный, которые в герметично закрытых сосудах были доставлены в лабораторию. При их исследовании в иммерсионной жидкости установлено, что показатель преломления кристаллов значительно ниже 1,541; в скрещенных николях минерал изотропен, а его параметры значительно отличаются от параметров гипса. Методом РСА волокна минерала идентифицированы как тенардит (Na2SO4). Однако тенардит сформироваться в условиях Кунгурской пещеры не может, так как он возникает при кристаллизации из чистых водных растворов при температуре выше 32,4°С (в гроте Полярный температура не превышает +0,2°С). Поэтому следует предположить, что первоначальный состав волокнистых новообразований был мирабилитовый (рис. 13.15).

Рис. 13.15. Кристаллы мирабилита из Кунгурской пещеры [303]
Мирабилит (Na2SO4·10H2O) образуется в виде призматических кристаллов моноклинной сингонии, вытянутых по [010] или [001], бесцветный, прозрачный или мутно-белый. Твердость 1,5-2,0, очень хрупкий. Оптические свойства: двухосный, отрицательный; Ng = 1,398, Nm = 1,396, Np = 1,394, Ng — Np = 0,004. Хорошо растворяется в воде, соленый на вкус. В зимний период рассол становится пересыщенным и из него выделяется мирабилит, часть которого с повышением температуры, теряя воду, переходит в тенардит. При этом волокнистые кристаллы превращаются в мучнистую пыль, отдельные кристаллы которой под микроскопом имеют игольчатую форму и оптические константы, характерные для тенардита.
Находки мирабилита в гроте Полярный являются показателем присутствия в пещере высоко насыщенных растворов СН типа [452].
В гроте Смелых, в нишах, изолированных от потоков воздуха, обнаружены прозрачные нити длиной до 7 см и толщиной 0,1-0,2 мм. В комнатных условиях они через 1-2 мин рассыпаются в белый порошок. Здесь же встречены экссудаты — белые шарики, образующие на стенах и глине на полу скопления, похожие на горох или пшено. Они прикрепляются к сводам, растут на поверхности сухих глинистых отложений. Под бинокуляром просматривается его спутанно-волокнистая структура. Возможно, нити и экссудаты появились в результате конденсации аэрозолей или их создают сульфатредуцирующие бактерии.
Кунгурская пещера известна более 300 лет и знаменита в основном своими ледяными образованиями. Однако, как выяснилось в последние десятилетия, из нее описаны и другие минеральные образования. По условиям минералообразования пещера разделяется на внешнюю, переходную и внутреннюю части с разными микроклиматом (температура, влажность, давление, движение воздуха) и обводненностью (рис. 13.16). Привходовая часть пещеры холодная. Здесь круглый год сохраняется лед. Влажность воздуха достигает 100 %. Дальняя часть отличается постоянной положительной температурой (около 5°С), высокой влажностью воздуха (90-100 %), наличием капели и многочисленных озер. Между внешней и внутренними частями расположена переходная зона, границы которой смещаются во времени.

Рис. 13.16. Распределение температурных зон в Кунгурской пещере [459]. а — схематический план, б — разрез; зоны: 1 — холодная, 2 — промежуточная, 3 — теплая; изотермы: 4 — 0° на полу пещеры, 5 — 0° у свода пещеры; воздух: 6 — теплый, 7 — холодный; формы льда: 8 — изморозь, 9 — ледяные сталактиты, 10 — многолетние льды, // — ледяные сталагмиты; 12 — подземные озера; 13 — обвалы в пещере; 14 — подножие Ледяной горы
Минерализующими растворами в пещере являются инфильтрационные и конденсационные воды, питающие капель; трещинные и карстовые воды ангидритов, гипсов и карстово-обвальных отложений, поровые воды мелкодисперсных отложений. Минерализация воды от 50 до 2300 мг/дм3 и преимущественно ГК и СК состав. Преобладают слабощелочные воды с рН более 7. Состав подземных вод определяет два типа минерализации в пещере: карбонатный и сульфатный [93]. К. А. Горбунова [93] (по состоянию на 1995 г.) приводит для Кунгурской пещеры список из 15 минералов. На начало 2004 г. по данным визуальных и микроскопических определений, химического, спектрального, рентгеноструктурного анализа (ПГУ, ЕНИ, МГУ) из Кунгурской пещеры описано уже 30 минералов [302, 304]. Ниже приведен их список по классификации А. Г. Бетехтина [294].
Фториды. Флюорит (1).
Оксиды. Лед (2), кварц (3), пиролюзит (4).
Гидрооксиды. Гетит (5), гидрогетит (6), гидроокислы железа (7), псиломелан (8).
Карбонаты. Кальцит (9), доломит (10).
Сульфаты. Барит (11), целестин (12), ангидрит (13), гипс (14), тенардит (15), мирабилит (16).
Силикаты. Палыгорскит (17), хлорит (18), корренсит (19), глауконит (20), иллит (21), ферроиллит (22), каолинит (23), аллофан (24), монтмориллонит (25), смектит (26), сапонит (27), плагиоклаз (28), микроклин (29), ортоклаз (30).
Эти минералы встречаются в разных формах (зерна, кристаллы, микрокристаллы, мука, порошок, чешуйки, стяжения, дендриты, корочки, налеты, оолиты, пленка, сталактиты, сталагмиты, колонны, натеки, каскады, хлопья и пр.).
До последнего времени в составе отложений Кунгурской пещеры описывались в основном аутигенные минералы — составные компоненты коренных пород, формы их преобразования, а также новообразования, сформировавшиеся на стенках гротов под влиянием капели под органными трубами, из отжимающихся поровых растворов и т.д. Однако в ней имеются и аллотигенные минералы, занесенные в пещеру из рыхлых покровных осадков при образовании карстовых провалов и речными водами в период половодья р. Сылвы. На их долю приходится не более 1 % от общего объема видов минералов, однако ассоциация минералов может указывать на область сноса.
Наиболее информативной является тяжелая фракция. В целях ее изучения была отобрана проба из рыхлых осадков грота Заозёрный. Для отмучивания использована навеска в 3 кг. После длительной отмывки осталась рассыпчатая смесь псефит-псаммит-алевритового состава весом 371,6 г, которую рассеяли на ситах с отверстиями 5,0; 3,0; 2,0; 1,0; 0,5; 0,25; 0,1 мм. В результате гранулометрического анализа получены узкие классы, где преобладающими оказались псефитовая (18,4 %), мелкопсаммитовая (31,0 %), тонкозернистая и алевритовая (29,8 %) фракции. Для выделения тяжелой фракции использовался класс мелкопсаммитового состава с размером частиц 0,25—0,1 мм. Выход составил 3,1 % данного класса крупности.
В составе тяжелой фракции установлены следующие аллотигенные минералы (в порядке убывания): эпидот, гематит, гидрогетит, магнетит и, вероятно, ильменит, а также аутигенный ангидрит. Состав тяжелой фракции рыхлых отложений Кунгурской пещеры соответствует аллювию р. Сылвы [329]. Обнаружены также единичные кремневые и яшмовые гальки. Очевидно, они попали в пещеру из перекрывающих неоген-четвертичных отложений.
В дальнейшем необходимо продолжить изучение минералов Кунгурской пещеры и привести их номенклатуру к мировым стандартам [452].
Распределение различных кристаллических образований в Кунгурской пещере приведено на рис. 13.17.
Рис. 13.17. Распределение кристаллических образований в Кунгурской пещере. 1 — кристаллы гипса; 2 — селенит; 3 — мука, порошок; 4 — кальцит; 5 — мирабилит; 6 — целестин

назад дальше наверх навигация
«Пермский государственный национальный
исследовательский университет»