Криогенные минералы пещер р. Вижай (Северный Урал)

Исследование карстовых объектов на р. Вижай было начато в 2007 г. спелеологами Свердловской городской спелеосекции (Цурихин, 2011). На сегодняшний день там изучено более 70 пещер, имеющих общую протяженность ходов более 9 км.

Зимой 2013 г. в ходе межклубного исследовательско-разведочного выезда под руководством Е.А. Цурихина (Свердловская городская спелеосекция, г. Екатеринбург) был проведен отбор вмещающих пород, льда и криогенных образований в пещерах Саксофон и Ледниковая с целью исследования криогенного минералообразования. Обе пещеры заложены в одних и тех же породах, при этом п. Ледниковая имеет многолетнюю ледяную толщу, а п. Саксофон подвергается сезонному оледе- нению, что дает возможность сравнивать особенности криогенеза при данных условиях. В работе приведены данные о минеральном и химическом составе криогенных образований, описаны морфология и условия их нахождения.

Определение минерального состава криогенных образований проводилось в Институте земной коры СО РАН в г. Иркутске методом рентгенофазового анализа З.Ф. Ущаповской. Морфология и химический состав криогенных образований исследованы 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. Перми аналитиком О.В. Коротченковой. Содержания петрогенных элементов для вмещающих пород определялись в Инсти-

туте земной коры СО РАН в г. Иркутске химическим методом аналитиком М.М. Самойленко. Там же устанавливался химический состав расплавов пещерного льда методами тетрометрии, гравиметрии и атомно-адсорбционной спектрометрии аналитиком Л.А. Дурбан.

Общие данные о пещерах

Обследование и топосъемка пещер Саксофон и Ледниковая впервые были проведены спелеологами Свердловской городской спелеосекции и Набережных Челнов в марте – мае 2009 г. Привходовые части этих пещер ранее посещались охотниками или местными жителями.

Образование данных пещер связано с подземным перетоком воды р. Вижай от поноров к источникам, расположенным в 2–3 км ниже по течению (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения пещер и направления движения подземных вод

На закарстованном участке р. Вижай теряет часть стока (до нескольких кубометров в секунду) за счет подруслового потока через понор, расположенный в середине русла реки в 400 м ниже пещеры Саксофон напротив пещеры Ледниковой.

Обе пещеры находятся в массиве светло-серых мелкозернистых известняков эйфельского яруса среднего девона. Состав пород приведен в табл. 1.

Пещера Саксофон расположена в 10 км к юго-западу по прямой от пос. Ви-жай, на левом берегу р. Вижай в 20 км выше ее устья. Длина ходов пещеры составляет 250 м при амплитуде 12 м. Вход размерами 2 на 3 м находится в 15 м от русла реки в основании отвесной скалы. Очевидно, что в прошлом вход являлся местом поглощения речной воды. В центральной и дальней частях пещеры распо- ложены несколько озер, уровень которых связан с уровнем воды в реке.

Таблица 1. Химический состав пород, в которых находятся пещеры Саксофон и Ледниковая, мас. %

Компоненты	п. Саксофон	п. Ледниковая
SiO 2	<нпо	0.36
TiO 2	<нпо	0.03
Al 2 O 3	0.43	0.64
Fe 2 O 3	0.09	0.25
FeO	0.05	0.07
MnO	0.01	0.01
MgO	0.49	0.5
CaO	55.58	54.41
Na 2 O	0.02	0.03
K 2 O	0.04	0.06
P 2 O 5	0.03	0.05
H 2 O-	0.21	0.05
ппп	0.14	1.04
CO 2	42.98	42.27
Сумма	100.07	99.77

<нпо – содержание компонента ниже пределов обнаружения.

На морфологию пещеры заметное влияние оказала трещина бокового отпора, пересекающая основной ход под прямым углом и образующая узкий выход на поверхность в западной части подземной полости (рис. 2).

В пещере наблюдались сезонные ледяные образования конжеляционного генезиса – сталактиты, сталагмиты, коры. На поверхности ледяных образований повсеместно отмечался криогенный остаток (рис. 4, а).

Пещера Ледниковая расположена в 600 м восточнее пещеры Саксофон и практически равна вышеуказанной пещере по длине и амплитуде (230 и 10 м соответственно).

Основной вход в пещеру (5 на 3 м) находится в 250 м от русла реки, в основании отвесной скалы и, по-видимому, в прошлом служил понором, как и вход в п.

Саксофон. В западной части пещеры имеется постоянный водоток с расходом воды в межень 1–2 л/с, впадающий в подземное озеро с сифонным продолжением. В паводок уровень воды в озере поднимается на 1–2 м. В отличие от п. Саксофон, морфология п. Ледниковой довольно сложная (рис. 3). Пещера имеет два грота, привхо-довую галерею, на дне которой находится ледник, и лабиринтовую часть, представляющую собой систему наклонных трещин и ходов.

Рис. 2. План п. Саксофон. Синим цветом показаны обводненные участки

Многолетние ледяные образования преимущественно конжеляционные: на-ледные коры (рис. 6, а), сталактиты и сталагмиты длиной до 1.5 м. Наблюдаются небольшие участки развития сублимационного льда.

Рис. 3. План п. Ледниковая. Синим цветом показаны обводненные участки

У подножья ледопада, сталагмитов, на кончиках сталактитов, в нишах вытаивания на корах, стенах, поверхности наледи отмечался криогенный остаток от белого до желтого цвета, мощность которого в отдельных местах достигала 0.5 см.

Таблица 2. Химический состав и минерализация расплава ледяного сталагмита из пещеры Ледниковая

Единицы измерения	Содержание компонентов
	K+	Na2+	Mg2+	Ca2+	HCO 3 -	SO42-	Cl-
мг/л	0.53	0.64	1.34	16.43	57.36	9.67	2.84
мг-экв/л	0.01	0.03	0.11	0.82	0.94	0.2	0.08
%-экв	1.4	2.87	11.32	84.41	76.97	16.48	6.55

В табл. 2 приведен анализ расплава ледяного сталагмита. Химический состав воды гидрокарбонатный кальциевый, минерализация 91.8 мг/л, величина рН составляет 7.9.

Морфология и состав криогенных образований

В пещере Саксофон пробы криогенных образований были взяты с вершинки ледяного сталагмита и с поверхности наледи. Проба, взятая с вершинки ледяного сталагмита, сложена преимущественно кальцитом, который формирует ватообразные плохо образованные кристаллы с размером отдельных зерен 2–5 микрон (рис. 4, б). По результатам рентгенофазового анализа в образце также присутствуют следы гипса, глинистой фазы и, возможно, гидробазалюминита, кристобалита и кварца.

Проба криогенных образований, взятая с поверхности наледи, сложена кальцитом с незначительной примесью гипса. Кальцит чаще всего представлен расщепленными индивидами, иногда до сферолитов,

Рис. 4. Новообразованные криогенные фазы в пещере Саксофон: а – общий вид мучнистого криоминерального порошка на поверхности наледи и сталактитах, освобожденного из льда при испарении; б – ватообразные хаотично сложенные агрегаты микрокристаллов кальцита с вершины сталагмита; в – агрегаты-корочки с плоской подложкой; г – сферолиты и гантелевидные кристаллы кальцита

размером до 5 микрон, и уплощенными зернами (до 25 микрон). Как и в предыдущем образце, взятом с поверхности ледяного сталагмита, кристаллы объединены в агрегаты-корочки с ровным основанием, что характерно для криогенных образований и является результатом их роста на ледяной подложке (рис. 4,в). Реже наблюдаются отдельные сферолиты и кристаллы кальцита с расщепленными вершинами гантелевидной формы (рис. 4,г). Гипс нарастает на кальцитовые сростки и в основном образует веерообразные агрегаты игольчатых кристаллов (рис. 5,а) и сростки уплощенных кристаллов (рис. 5,б). По результатам рентгенофазового анализа в пробе присутствуют также следы хлорита, кварца, сьегренита-пироаурита, и, возможно, талька, сидерита.

В пещере Ледниковой пробы криогенных образований были взяты в двух местах у подножья наледи, а также с поверхности ледяного сталактита и сталагмита.

Рис. 6. Новообразованные криогенные кристаллы в пещере Ледниковая: а - общий вид мучнистого порошка на поверхности наледи и сталагмитов (фотография Дж. Бадино); б, г – сферолитовые и иногда коралловидные агрегаты-корочки кристаллов кальцита; в – кристаллы кальцита с гранями острого и тупого ромбоэдров; д – единичные пластинчатые агрегаты кристаллов гипса

Рис. 5. Морфология гипса из криогенной муки в пещере Саксофон: а – веерообразные агрегаты игольчатых кристаллов; б – агрегаты уплощенных кристаллов гипса

Образцы с поверхности наледи сходны по составу и морфологии и представлены криогенной мукой, сложенной расщепленными кристаллами с гранями острого и тупого ромбоэдров и сферолитами кальцита, которые объединены в агрегаты-корочки размером от 60 до 250 микрон (рис. 6, б, г). На плоском основании некоторых агрегатов наблюдаются отчетливые концентрические зоны роста и следы вторичного растворения (рис. 7, б). При этом в отдельных случаях наблюдается нарастание дополнительных кристаллов кальцита на плоское основание агрегатов-корочек (рис. 7, а, в), что, по-видимому, вызвано переворачиванием сформировавшихся агрегатов при временном оттаивании ледяной подложки.

Рис. 7. Морфология плоского основания агрегатов кальцита в п. Ледниковая: а, в – следы подрастворения (оплывания) и нарастание более поздних мелких кристаллов кальцита, вероятно, в период поступления новых порций растворов на поверхность льда; б – зональное строение сфоролитов, подтверждающее периодичность роста криогенного кальцита

В составе образцов также присутствует гипс, образующий игольчатые микрокристаллы – обрастания на кальцитовых сферолитах и отдельные пластинчатые кристаллы (рис. 6, д). По результатам рентгенофазового анализа пробы сложены кальцитом со следами икаита и кварца.

Морфология кристаллов из образцов, взятых с поверхности ледяного сталагмита и сталактита, не исследовалась. По результатам рентгенофазового анализа проба с вершинки сталагмита сложена кальцитом с примесью икаита, а проба, взятая с поверхности сталактита, имеющая вид пленки, сложена икаитом и кальцитом со следами, возможно, пироаурита или гид- роталькита и слабыми следами, возможно, моногидрокальцита, баритокальцита.

Обсуждение и выводы

В обеих пещерах при замерзании привнесенных водных растворов низкой минерализации (до 100 мг/дм3) образуются криогенные минералы, которые при испарении льда освобождаются и покрывают лед тонкодисперсным материалом с размером зерен менее 250 микрон. В составе криогенного материала из обеих пещер преобладает кальцит с незначительной примесью гипса. В образцах из п. Ледниковой также были выявлены ме-тастабильные фазы кальцита – моногидрокальцит и икаит. Находки данных минералов ранее были сделаны в зарубежных пещерах (Onac, 2008; Žãk et. al., 2010), в пещерах Урала (Кадебская, Чайковский, 2013) и Иркутской области (Базарова и др., 2014).

При сравнении криогенных образований из пещер Саксофон и Ледниковая можно видеть следующие закономерности. В обеих пещерах наиболее хорошо образованные кристаллы наблюдаются в образцах, взятых с поверхности наледи. Кристаллы образца, взятого с вершинки ледяного сталагмита, сформированы плохо, что может быть связано с подтаиванием сталагмита и подрастворением уже образовавшихся кристаллов, со слабым пересыщением раствора или с шоковой кристаллизацией при очень быстром замерзании раствора.

Кальцит в пещере Саксофон образует как сферолиты, так и уплощенные зерна. В пещере Ледниковая большая часть криоматериала представлена сферолитами, что может говорить о значительном пересыщении раствора (Кадебская, Чайковский, 2013; Андрейчук и др., 2013).

Плоские основания криогенных образований в образцах из обеих пещер указывают на формирование криогенного материала на поверхности льда. Отчетливое концентрическое строение с зонами роста в пещере Ледниковой может говорить об образовании криогенного материала в тонкой пленке воды при частичном оттаивании верхней части многолетней наледи в летнее время. В пещере Саксофон зоны роста в кристаллах проявлены слабо, что, возможно, вызвано тем, что оледенение в данной пещере является сезонным и криогенные минералы здесь молодые, по сравнению с пещерой Ледниковой.

Общим минералом для криогенных образований пещер района р. Вижай является кальцит – типичная составляющая криогенных образований карбонатного карста. Прочие минералы, встреченные в следовых количествах, могут являться примесями, в том числе аллохтонными, возможно, аэрозольного происхождения.

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Геодинамика и геохронология» ИЗК СО РАН (Иркутск).

Авторы благодарят аналитиков Института земной коры СО РАН З.Ф. Ущаповскую, М.М. Самойленко и Л.А. Дурбан и аналитика Горного института УрО РАН г. Перми О.В. Коротченкову за проделанные анализы.

Работа выполнена в рамках программы УрО РАН № 15-18-5-16 «Экстремальные (галогенные и криогенные) процессы в геологической истории Урала: минеральные и геохимические индикаторы».