Лаборатория геологии техногенных процессов
Горбунова К.А., Дорофеев Е.П., Максимович Н.Г., Минькевич И.И. Исследование процесса растворения гипсо-ангидритов в условиях Кунгурской пещеры // Пещеры.-Пермь, 1986.-Вып.20.-С.39-47 /0,6/
Исследование процесса растворения гипсо-ангидритов в условиях Кунгурской пещеры
К. А. Горбунова, Е. П. Дорофеев, Н. Г. Максимович, И. И. Минькевич
Лабораторное исследование процесса растворения горных пород с целью выяснения закономерностей развития карста сопряжено с методическими и техническими трудностями, обусловленными в основном невозможностью учета большого количества природных факторов. В значительной части массива гипсо-ангидритовых пород растворение происходит в условиях, близких к равновесию, при этом большую роль играют такие факторы, как температурный и гидрохимический режим подземных вод. Однако создание условий, мало меняющихся в течение годового цикла, в лабораторий не представляется возможным. В известной степени они могут быть учтены при исследовании процесса растворения пород в природных условиях.
На VII Международном спелеологическом конгрессе (Англия, 1977) комиссия по карстовой денудации приняла решение провести эксперимент по изучению скорости растворения карбонатных пород в различных климатических обстановках. В карстовых областях ряда стран были установлены стандартные таблетки из сенонского известняка с плато Карст (Югославия). В СССР эксперимент был осуществлен в Крыму, Средней Азии и Восточной Сибири [2]. Таблетки помещались вблизи метеостанции на высоте 150—300 см, на поверхности земли и в почве на глубине 12—100 см. Ежегодно, начиная с 1978 г., они взвешивались. Потеря веса, выраженная в мг/см2/сут · 10-3, принималась за величину карстовой денудации. Эта величина составила для всех уровней за первый период наблюдений в Крыму 0,62—9,59 при максимальных значениях 11,5 (—30 см) и 23,97 (—60 см). В последующие два периода обнаружено увеличение веса некоторых таблеток. Средние значения денудации для Средней Азии и Восточной Сибири меньше, чем для Крыма, причем для всех районов отмечена зависимость их от количества осадков.
Всесоюзный институт карстоведения и спелеологии в 1983 г. разработал условия эксперимента с целью изучения относительной скорости растворения образцов гипсо-ангидритовых пород в зависимости от их минерального состава, структуры, текстуры, наличия примесей, степени неоднородности в различных обстановках (атмосфера, поверхность земли, почва, пещера). В настоящей работе приведены результаты эксперимента, осуществленного в Кунгурской Ледяной пещере (рис.). Она находится на правом берегу р. Сылвы (северо-восточная окраина г. Кунгура).
Вход в нее расположен в основании крутого, местами отвесного, склона Ледяной горы, на уровне поверхности первой надпойменной террасы р. Сылвы, ширина которой здесь достигает 120 м [1]. Закарстованная поверхность Ледяной горы, представляющей междуречье Сылвы и ее притока Щаквы, достигает высоты 80—86 м над уровнем рек. Первая надпойменная терраса западнее входа в пещеру выклинивается и р. Сылва подходит к коренному уступу. Во время высоких паводков терраса, а также низкие участки пещеры затопляются. Минерализация воды в р. Сылве изменяется по сезонам: минимальная (0,14 г/л) отмечается весной, максимальная (до 0,7 г/л) — зимой. Среднегодовое за десятилетний период количество осадков в районе пещеры 497 мм, причем максимум их приходится на летний период. На поверхности Ледяной горы около 35 % осадков поглощается карстовыми формами и проникает вглубь массива. Снежный покров, мощность которого в среднем 0,5 м, сходит в начале апреля, сохраняясь в воронках до конца мая — середины июня.
Пещера расположена на западном крыле Уфимского вала, где породы падают в северо-западном направлении под углом около 40°. На склоне Ледяной горы обнажаются породы иренского горизонта кунгурского яруса [1, 6]. Ниже скважинами вскрыты известняки и доломиты филипповского горизонта мощностью до 57 м.
Иренский горизонт состоит из гипсо-ангидритовых и известняково-доломитовых пачек (снизу вверх):
1. Ледяно-пещерская пачка мощностью около 30 м, в пределах которой находится пещера, состоит преимущественно из голубовато-серого ангидрита, слагающего внутренние части пещерного массива. Гипс преобладает в присклоновых частях, на участках повышенной трещиноватости, на контакте с карбонатными породами, в стенках органных труб. Доломитовые прослои имеют мощность до 1 м.
2. Неволинская пачка мощностью 4—5 м слагается пелитоморфными доломитами с прослоями оолитовых доломитов и кавернозных известняков. Пачка обнажается у входа в пещеру, в потолке органных труб и трех наиболее высоких гротов.
3. Шалашнинская пачка гипсов мощностью 23 м видна в верхней части обнажения у входа в пещеру, в потолке некоторых труб и гротов.
4. Елкинская пачка доломитов мощностью 3,8 м обнажена в крупной воронке на Ледяной горе.
5. Демидковская пачка гипсов встречается в отдельных воронках.
Коренные породы перекрыты обвально-карстовыми образованиями различной мощности (до 10 м и более) и элювиально-делювиальными глинами, суглинками, супесями мощностью до 1,2 м. Отложения первой надпойменной террасы р. Сылвы (суглинки, глины, доломитовый щебень с гравием и. галькой) имеют мощность 13 м. Коренные породы осложнены литогенетическими, тектоническими и экзогенными трещинами. Преобладают трещины с простиранием 335° и 55°. По трещинам проявляется гипсотизация ангидрита. В гипсах наблюдаются микро- и мезоскладки, а в ангидритах местами отмечены «зоны дробления».
В отложениях первой террасы р. Сылвы развиты грунтовые воды. Горизонт карстовых вод в гипсах и ангидритах иренского горизонта залегает на филипповских доломитах, примерно на уровне р. Сылвы на глубине до 80 м от поверхности Ледяной горы. Карстовые воды связаны с грунтовыми и имеют общий сток к р. Сылве. Они питают озера в пещере. В половодье речные воды внедряются в пещеру, вызывая подъем уровня озер до 6 м.
С помощью флюоресцеина установлено, что поступление речных вод происходит через грот Вышка 1 в гроты Великан, Длинный и далее на северо-восток. Скорость течения в гроте Длинном на разных участках слившихся озер составляет от 4,7 до 5,8 м/ч. Расход потока около 2 л/с. В гроте Длинном часть воды направляется на север и восток. В этот период происходит интенсивное растворение пород.
Первые данные о составе вод и льда Кунгурской пещеры были опубликованы в 1941 г. [4, 5]. Позже гидрохимические исследования осуществляли сотрудники Кунгурского стационара УНЦ АН СССР и Пермского университета. Одновременно с закладкой плиток 1 июня 1983 г. были отобраны пробы воды и льда. Химический анализ (табл. 1), выполненный Л. А. Турковой, показал, что наименее минерализованными (0,12 г/л) оказались кристаллы льда. Капель имеет минерализацию 2,3 г/л, содержание сульфат-иона в ней достигает 1,6 г/л; для озерного льда эти показатели составляют соответственно 0,8 и 0,4 г/л, для льда сталактитов и колонн — 1,9—2,4 г/л и 1,2—1,6 г/л, для воды из скважин и озер — 1,98—2,3 и 1,3—1,5 г/л. Вода в озере грота Длинного в месте закладки образцов отличалась значительной минерализацией (2,3 г/л) и содержанием сульфатного иоиа (1,4 г/л). За исключением сублимационных кристаллов льда гидрогенные льды и воды пещеры имеют сульфатно-кальциевый состав.
Плитки из гипса и ангидрита иренского горизонта кунгурского яруса нижней перми размером 5 Х 5 X 1,5 см (с незначительными отклонениями) были закреплены на леске и погружены в озеро (грот Длинный) на глубину 0,5—0,7 м (в 500 м от входа и пещеру). Исследуемые образцы были под вергнуты рентгеноструктурному и шлифовому анализу. Описание шлифов выполнено 3. А. Созыкиной.
Таблица 1 — Химический состав воды и льда Кунгурской пещеры, мг/л
| Объект (грот) |
НСО3 |
SO4 |
Cl |
NO3 |
Ca |
Mg |
Na+K |
pH |
Жест. мг-экв. |
Общая минер. |
| Кристаллы (Полярный) |
36,6 |
25,0 |
21,3 |
5,2 |
24,0 |
3,7 |
5,5 |
7,0 |
1,6 |
122,5 |
Капель
(Руины) |
103,7 |
1561,0 |
10,6 |
8,3 |
496,0 |
94,2 |
46,0 |
7,2 |
32,5 |
2335,2 |
| Лед на озере (между Великаном и Вышкой) |
195,3 |
384,3 |
14,2 |
нет |
160,3 |
2,4 |
78,2 |
7,0 |
8,2 |
834,6 |
| Ледяная колонна (Полярный) |
97,6 |
1609,0 |
17,7 |
нет |
621,2 |
12,2 |
80,0 |
7,2 |
32,0 |
2447,7 |
| Сталактит (Крестовый) |
97,6 |
1248,8 |
17,7 |
8,3 |
431,0 |
6,1 |
138,9 |
7,2 |
22,0 |
1952,1 |
| Скважина (Руины) |
109,8 |
1440,9 |
14,2 |
7,2 |
511,0 |
60,8 |
38,9 |
7,5 |
30,5 |
2193,0 |
Озеро
(Мокрая
Кочка) |
122,0 |
1272,8 |
10,6 |
нет |
450,9 |
36,5 |
71,3 |
7,3 |
25,5 |
1980,2 |
| Озеро (Колизей) |
134,2 |
1537,0 |
17,7 |
6,7 |
481,0 |
91,1 |
72,9 |
7,0 |
31,5 |
2353,7 |
Озеро
(Дружба
народов) |
176,9 |
1368,9 |
14,2 |
8,3 |
470,9 |
60,8 |
75,4 |
7,4 |
28,5 |
2187,3 |
| Озеро (Хлебниковых) |
170,9 |
1368,9 |
14,2 |
8,3 |
511,0 |
42,5 |
62,3 |
7,5 |
29,0 |
2188,0 |
| Озеро (Романтиков) |
207,5 |
1368,9 |
17,7 |
8,3 |
501,0 |
48,6 |
77,7 |
7,4 |
29,0 |
2244,1 |
| Озеро (Длинный) |
183,1 |
1440,9 |
14,2 |
15,5 |
501,0 |
72,9 |
58,2 |
7,5 |
31,0 |
2295,7 |
Скважина
(I терраса) |
244,1 |
389,1 |
24,8 |
нет |
136,3 |
38,9 |
63,9 |
7,2 |
28,0 |
907,8 |
| р. Сылва |
207,5 |
129,7 |
28,4 |
нет |
80,2 |
14,6 |
39,1 |
7,3 |
5,2 |
501,9 |
|
Образец 1. Ангидрит (90 %) с примесью гипса, голубовато-серый отобран К. В. Тиуновым из обнажения вблизи пос. Посад. Структура гетеробластовая, радиально-лучистая состоит из различных по величине зерен ангидрита. Наиболее крупные призматические зерна группируются вокруг не которых центров. Гипс образует тонкие прожилки, состоя щие из тонкоигольчатых индивидов. На поверхности образца встречаются темные пятна и микротрещины, залеченные гипсом.
Образец 2. Гипс (100 %) белый с редкими светло-серы ми прожилками из обнажения в районе пос. Полазна. Струк тура радиально-лучистая. Состоит из мелких (длиной до 0,06 мм) игольчатых кристаллов.
Образец 3. Ангидрит (82 %) с примесью доломита (18 %). голубовато-серый, пятнистый, из скважины (глубина 85—90 м) в с. Усть-Кишерть. Структура гетеробластовая, порфиробластовая с различной величиной зерен (наиболее крупные до 2 мм). Редкие призматические зерна (порфиробласты) выполнены буроватым в проходящем свете гипсом. Oн имеет массу игольчатых включений ангидрита вдоль спайности, агрегатов и единичных зерен карбоната размеров 0,02—0,03 мм. Основная масса породы состоит/из брусковидных зерен ангидрита размером 0,1—0,5 мм с включениями карбоната (доломита).
Образец 4. Ангидрит (92 %) с доломитом, голубовато-серый, пятнистый из скважины в г. Кунгуре. Структура гетеробластовая. Преобладают мелкие (0,01—0,02 мм) зерна ангидрита (50—60 %), встречаются также зерна и агрегаты ангидрита размером до 3 мм. Форма зерен неправильная реже призматическая, удлиненная, брусковидная. Карбонаты (доломит) в виде пылеватой агрегатной массы располагаются неравномерно вдоль трещинок.
Взвешивание плиток производилось перед установкой и еще шесть раз после одно- двухдневного высушивания при комнатной температуре (табл. 2). За период наблюдений равный 838 суткам, вес всех образцов относительно первоначального уменьшился на 7,8—11,3 %. Минимально изменилась поверхность образцов гипса, максимально — ангидрита с доломитом (образцы 3 и 4). В образцах 3 и 4 более отчетливо проявилась контрастность по цвету и структуре. На светлых участках, состоящих из ангидрита, образовались микроуглубления в виде червеобразных ходов и каверн с мучнистым налетом на дне. Каверны имеют глубину 1—2 мм, ширину до 1 см. Ангидрит с гипсом (образец 1) при высыхании покрылся мучнистым налетом. Наибольшая потеря веса отмечена у ангидрита с доломитом, наименьшая — чистого гипса. Относительная скорость растворения (если за единицу принять процент потери веса гипсовой плитки) ангидрита с доломитом в 1,4 раза больше, чем гипса. скорость растворения ангидрита с доломитом (образцы 3 и 4) уменьшается во времени, что объясняется снижением содержания ангидрита по сравнению с содержанием доломита образце, частичной гипсотизацией ангидрита.
Денудация поверхности образцов (в мг/см2 /сут·103) составляет 106,5—194,8.
Растворение плиток происходило при невысоких температурах в воде сульфато-кальциевого состава при ее медленном движении. Температура воды в озере по данным ежемесячных наблюдений за 1983—1985 гг. составляла 3,6—4,0° при температуре воздуха 3,4—4,4°. Минерализация воды в месте заложения плиток за этот же период изменялась от 2,1(15.05.83) до 2,5 г/л (15.02.85) при содержании сульфатного иона 1,3—1,6 г/л. Поверхность озера покрыта пятнами или сплошной пленкой из кальцита с включением единичных кристаллов гипса.
Эксперимент показал, что в условиях водоносного горизонта Кунгурской пещеры происходит растворение гипса и ангидрита даже при незначительном дефиците насыщена воды сульфатом кальция.
Соотношение скорости растворения образцов гипса, ангидрита с доломитом изменяется во времени. В условиях низких температур относительная скорость растворения ангидрита с доломитом в начальный период больше, чем у гипса. В дальнейшем вследствие изменения минерального состава образцов (относительное увеличение содержания доломита и гипса) эта закономерность не прослеживаете;
Денудация гипсовых и ангидритовых плиток в условиях Кунгурской пещеры значительно выше, чем таблеток известняка в карстовых районах Горного Крыма, Средней Азии, Сибири. И. Гамс отмечает несоответствие между растворимостью известняка в лабораторных условиях и пещере.
Эксперимент [3] по растворению образцов гипса разме ром 1х1х2 см в стеклянной трубке, через которую про пускали дистиллированную воду со скоростью 0,02 см/с в течение 120 ч, показал, что скорость растворения образце гипса в 1,8—2,6 раз больше, чем ангидрита. Г. Г. Скворцов [8] растворял в воде источника, имеющей гидрокарбонатный состав и минерализацию 0,4—0,5 г/л, призмы размере 4х2х1 см, выпиленные из гипса различной структуры. Относительная скорость растворения крупнокристаллического гипса в 4,9; мелкокристаллического — в 5,8; тонкослоистого — в 7,7 раз больше, чем ангидрита. Эти эксперименты показали, что в дистиллированной и слабоминерализованной воде скорость растворения гипса больше, чем ангидрита. Образцы гипса (2) и ангидрита с доломитом (3) были помещены на метеостанции в г. Кунгуре на уровнях + 1 м (воздух), поверхности земли и - 10 см (в почве). За период А-Д (табл. 2) потеря веса гипсовой плитки составила на уровне +1 м — 7,8; 0 м — 1,7; 10 см — 1,4 %; ангидритовой — соответственно 4,04; 0,45; 0,79 %. В условиях земной поверхности гипс растворяется быстрее ангидрита.
Проведенные исследования показали, что процесс растворения гипса и ангидрита имеет сложные закономерности. Относительная скорость растворения меняется во времени в зависимости от многих факторов, в частности, от характера взаимодействия породы и воды, состава и минерализации последней, минерального состава породы, температурного режима. Результаты эксперимента позволяют сделать вывод, что процессы растворения в известной степени активно протекают в условиях, близких к насыщению вод сульфатом кальция.
ЛИТЕРАТУРА
- Дорофеев Е. П., Лукин В. С. Кунгурская ледяная пещера. — Пермь, 1970.
- И в а н о в Б. Н. и др. Первые результаты экспериментального исследования карстовой денудации в СССР//Геол. журнал. -1983. — Т. 43, № 3.
- Л а п т е в Ф. Ф. Агрессивное действие воды на карбонатные породы, гипсы и бетон.-Л., 1939.
- Максимович Г. А., Кобяк Г. Г. К характеристике вод подземных озер//Докл. АН СССР. — 1941. — Т. 31, № 1.
- Максимович Г. А., Кобяк Г. Г. Характеристика льда Кунгурской пещеры//Докл. АН СССР. — 1941. — Т. 31, № 5.
- Путеводитель экскурсии по нижнепермским отложениям по рекам Косьве, Сылве, Каме. — Пермь, 1974.
- Родионов Н. В. Инженерно-геологические исследования в карстовых районах,-М., 1958.
- Скворцов Г. Г. О скорости развития карста в гипсах. Вопр. изучения подземных вод и инж.-геол. процессов.-М.. 195
|
|
|
