Wiaczesław Andrejczuk Вячеслав Андрейчук
жүктеу/скачать 15,58 Mb. Pdf көрінісі
|
[Mn 0,133+ Са 0,01 Na 0,06 (ОН) 0,22 (Н 2 O) 0,56 ] + [Mn 0,664+ Mg 0,21 O 1,37 (OH) 0,63 ] Следует также отметить, что находки асболана, асболан-бузерита и бернес- сита в пещерах не являются в настоящее время столь уж редкими, независимо от литологического типа пещер (см. например, Cilek, 1998). Гидрооксиды железа и марганца, как правило, залегают не в чистом виде, а перемешаны. Несмотря на доминирование (цветовое) тех или иных, в каждом из них в значительном количестве присутствует «геохимический партнер». 240
Содержание органического вещества в разных типах отложений Золушки ( п о данным С. Волкова, 1990, с дополнениями) Таблица 8.7 Число
проб Тип
отложений Содержание органических веществ Валовое, % С орг, % Битумы, n 10
4 , %
Наличие гуминовых кислот 3 Глинистые отложения, перекрывающие гипсы 0.88
(0,72-1,03) 0,72
(0,69-0,77) 8,3
(3,0-12,0) Не обнаружены 8 Пещерные глины 1,97 (0,96-2,66) 1,47 (0,73-2,01) 2,2 (1,1-4,0) В одной пробе - не обнаружены, в двух - мало, в трех - много, в двух - очень много 6 Железо- марганцевые образования: 3
0,70
(0,36-0,96) 0,53
(0,27-0,72) 2
3,19 (1,48-4,89) 2,39 (1,11-3,67) Не определялись Не определялись 1
бузерита и бернессита 2,36
1,77 8 Суглинисто- карбонатные отложения 0,76 (0,16-1,85) 0,56 (0,12-1,39) 2,3 (1,0-6,0) В пяти пробах не обнаружены, в трех - следы Под электронным сканирующим микроскопом видно (рис. 8.17), что железо- марганцевый порошок образован очень мелкими конкрециями разной величины (от нескольких до 10-15 микрон), напоминающими горошины (рис. 8.17-1). Конкреции встречаются отдельно или образуют (как путем срастания, так и слипания) агрегаты, состоящие из десятков, иногда сотен отдельных «горошин» (рис. 8.17-2). Размер отдельных конкреций 2-5 микрон, агрегатов 10-50 и более. Часто конкреции покрывают («облепливают») автохтонные или инородные микрокристаллы (кальцита, реже гипса - рис. 8.17-3), а также заполняют углубления в них (рис. 8.17-
(рис. 8.17-5). Степень развития «сот» разная - от еле заметных углублений с перегородками до сплошных перегородок, придающих конкрециям вид «хлопьев» (рис. 8.17-8). В разрезе конкреций прослеживается зонально-концентрическое строение (рис. 8.17-6). Кроме горошин, в массе порошка часто встречаются более сложные по форме образования, нередко - причудливо-ветвистые, гелектитопо- добные и др. (рис. 8.17-7). Состав конкреций преимущественно марганцевый (анализируемая проба, пред ставленная на рис. 8.17, представляет собой сажистый порошок - тонкий слой на 241
Рис. 8.17. Железо-марганцевый порошок под электронным микроскопом (размер агрегатов 2-10 микрон, скоплений 20-50 микрон): - объяснения на след. странице 242
1 - общий вид порошка, образуемого конкрециями-«горошинами», 2 - агрегат, состоящий из сросшихся и слипшихся железо-марганцевых горошин, 3 - железо-марганцевые конкреции на обломке гипсового кристалла, 4 - железо-марганцевые конкреции в углублениях-«ловушках» заокругленного растворе нием обломка гипса, 5 - железо-марганцевая конкреция-горошина с ярко выраженной «сотовой» поверхностью (диаметр 3 микрона), 6 - зонально-концентрическое строение конкреции, 7 - ветвистые железо-марганцевые агрегаты, 8 - хлопьевидные железо-марганцевые конкреции (фото Е. Галускина). поверхности пещерных глин), но в каждом сферолите-горошине, как правило, присутствуют оба элемента. В ряде случаев прослеживается закономерность, согласно которой в оболочке сферолитов больше марганца, а в «ядре» - железа. В небольших количествах почти всегда присутствует никель и некоторые другие микроэлементы. В массе конкреций присутствуют также мелкие кристаллы кальцита (сингенетичные, вторичные), а также мелкие обломки гипсовых частиц. Сферолитовый характер железо-марганцевых образований, их морфологи ческое разнообразие указывают на рост агрегатов в неравновесных условиях, наблюдающихся при быстром изменении среды формирования. Сотовый, хлопье видный и т.д. вид, наличие у конкреций «хвостиков» (конкреции-«головастики»), срастание горошин «хвостиками» и другие признаки указывают на их возможный рост в коллоидных системах, из гелей, возможно - при участии микроорганизмов. В результате усыхания пещеры железо-марганцевые отложения преобразу ются. В процессе усыхания они теряют влагу, распадаются не отдельности и становятся рассыпчатыми. Меняется также их цвет: например, ярко-красные гидро оксиды железа теряют блеск, приобретают матовый оттенок и желто-бурую окраску. Особенно заметны такие преобразования после выноса материала на поверхность, где он в течение нескольких дней «буреет». Происходит превращение гидрооксидов в оксиды (окислы), например, в лимонит. Марганцевые отложения, образующие в свежем виде «россыпи», отливающие синевой, в процессе высыхания преобра зуются в черную сажистую, а затем темно-серую порошкообразную массу (вадов).
В проблеме формирования гидрооксидов можно выделить 2 главных аспекта: 1) источники Fe и Mn в карстовых водах; 2) условия и механизм их осаждения из подземных вод. Очевидно, что для образования в столь большом количестве гидрооксидных соединений концентрация Fe и Mn в карстовых водах должна быть сравнительно высокой, а (или) геохимические условия депозиции стабильно-благоприятными на протяжении более-менее значительного отрезка времени. Последнее обстоятель ство в условиях пещеры представляется маловероятным. Из локализации железо- марганцевых образований - на поверхности элементов пещерного рельефа - следует, что их образование имело место на последнем этапе развития пещеры. Характер залегания и взаимоотношения гидрооксидов указывает на скоротечность депозиционных процессов, обусловленную резким изменением геохимических условий и, соответственно, нарушением гидрогеохимических равновесий в подземных водах. Очевидно, что таковые имели место в последний - техногенный
243
Источники вещества Железо и марганец, отложенные в пещере, могли быть принесены с водами извне или поступать в водный раствор на участке пещеры. В условиях пещеры и района данный вопрос не может быть решен однозначно. Однако значение факта аллохтонного или автохтонного источников не имеет большого значения, поскольку в любом случае сохраняется однотипный характер гидрогеологической среды в которой могла происходить геохимическая мобилизация (переход в водный раствор) этих элементов: затрудненный водообмен в гипсах под покровом известняков и верхнебаденских глинистых толщ. Из этого следует также, что источники железа и марганца в подземных водах следует искать в литологическом окружении пещеры. Геохимическими исследованиями установлено, что породы в окружении пещеры содержат в разных количествах разнообразные железистые и марганцевые соединения. Так, в масштабе региона, среднее содержание Mn достигает в верхне- баденских глинах 0,15%, в гипсах - 0,03%, а в перекрывающих гипсы ратинских известняках - 0,07%. В подстилающих гипсы сеноманских известняках содержание окиси Mn составляет лишь 0,05% (Волков, Андрейчук, Смирнов, Янчук, 1985). На участке пещеры глины содержат Mn в количестве 0,12%, а гипсы всего 0,0015%. Из этого следует, что наиболее вероятными источниками Mn и Fe были перекрывающие гипсы глины и известняки. В верхнебаденских глинах повсеместно наблюдаются (между пластинками и слоями породы) черные пленки и дендриты оксидов марганца (вады). Помимо общего сравнительно высокого содержания оксидов Mn и Fe в глинах, в нижней (5 м) части их разреза над пещерой отмечен слой (до 5-8 см) рыхлых огипсованных железо-марганцевых конкреций. В известняках, например, в значительном количестве присутствует марганцевый минерал родохрозит. На известняки и глины, как на источник Fe и Mn, указывают и другие исследователи (Дублянский, Ломаев, 1980; Климчук, Рогожников, 1982), отмечавшие наличие гидрооксидов Mn и Fe (в небольшом, правда, количестве) в других пещерах региона. Детальное изучение Fe-Mn гидрооксидов Золушки показало, что они образуют парагенетические ассоциации с элементами, количество которых в перекрывающих породах очень незначительно. Ряд элементов - Ni, Zn, Со, Cu, Mo - входят в струк туру минеральных фаз гидроксидов. Выраженное обогащение гидрооксидов Fe и Mn указанными выше элементами указывает еще на один возможный источник - глубинные воды, выносящие „рудные" элементы в приповерхностную часть геоло гического разреза на участках крупных разломов. Приуроченность района пещеры к подобной разломной зоне свидетельствует в пользу этого предположения. Гидро геологически это также допустимо, поскольку вся осадочная толща на участке пещеры - ниже гипсов - состоит из проницаемых пород, а воды водоносных гори зонтов и комплексов имеют напорный характер. Вместе с тем, нельзя исключить, что отмеченные элементы, которыми перекрывающие породы бедны, накапливались в подземных водах благодаря особым „мобилизирующим" условиям геохимической среды. Сопоставление различных фактов указывает также на то, что в геохими ческой мобилизации элементов существенная роль принадлежала также микро организмам (Andrejchuk, Klimchouk, 2001).
Общая, принципиальная схема образования железо-марганцевых осадков в пещере представляется следующей (рис. 8.18). 244
На протяжении длительной истории формирования пещеры, особенно на поздних стадиях во фреатических (под глинистым экраном) условиях в обводненном невентилируемом лабиринте господствовала слабощелочная среда и
геохимической истории (голоцен), в связи с притоком в пещеру по обвальным трубам вод четвертичного горизонта (с реакционно-способным органическим веществом), а также попадания почвенного материала (с обилием гумусовых кислот) в местах обрушения сводов возникали все более благоприятные условия для активного протекания биогенной сульфат-редукции (D. desulfuricans) и накопления H 2 S
микроорганизмов способствовала понижению Eh водной среды, что благоприят ствовало растворению и накоплению в подземных водах Mn, а в иловых отложениях - образованию сульфидных форм Fe (рис. 8.18-Б).
обогащенными Fe 2+ , насыщенными H 2 S (до 130 мг/л) и резко обедненными O 2 .
геохимической среды подземных вод с Eh ниже 200 мв (Волков, 1990). Восстано вительная среда весьма благоприятна для накопления в водах марганца в виде растворимых сульфидных соединений. Железо и большинство микроэлементов в подобных условиях остаются, однако, миграционно малоподвижными. Таким обра зом, дотехногенная гидрогеохимическая обстановка (восстановительная) исключала осаждение гидрооксидов Fe и Mn ввиду малой подвижности железа и химических условий, исключающих осаждение марганца.
карьером с последующей откачкой карстовых вод, привели к трансформации геохи мической обстановки, сопровождающейся изменениями гидрохимических условий (Андрейчук, Коржик, 1984, Андрейчук, 1988; Волков и др. 1987, Волков, 1990; Волков, Андрейчук, 1987 и т.д.) (рис. 8.18-В). Вскрытие пещеры десятками разведочных скважин (при подготовке месторождения к эксплуатации) открыло доступ к подземным водам кислорода. Попадание O 2 спровоцировало резкое оживление деятельности тионовых бактерий, начавших активное окисление H 2 S (T. thioparus, реакция 3 - глава 10) и образующейся при этом серы (Т. Thiooxidans, реакция 4 - глава 10). Последние, продуцируя H 2 SO
, усилили (в присутствии сульфидов, серы и Fe 2+ , обильных в пещерных глинах) деятельность T. Ferrooxidans (реакция 6 - глава 10), продуктом которых стало окисленное железо Fe 3+ , начавшее накапливаться в подземных водах. Опережающее бактериальное окисление H 2 S привело к возрастанию кислотности среды и расслоению пещерного водоема по окислительно-восстановительным условиям на две зоны (с постепенным переходом): меньшую - верхнюю, нейтральную (или даже слабощелочную), резко окислительную, и большую - нижнюю, более кислую, восстановительную, а местами - глеевую. Двум зонам соответствовали гидрогеохимические среды с различными условиями Fe-Mn-литогенеза. В окислительных условиях верхней зоны началось осаждение гидроксидов (на стенах). В условиях слабокислой среды нижней зоны Mn и Fe (а также другие микроэлементы) продолжали приобретать подвижность, накапливаясь в большом количестве в воде, а возможно и частично осаждаясь бактериями типа Т. ferrooxidans, F. ferrooxidans и другими сульфидоокисляющими микроорганизмами, отличающимися активным метаболизмом в кислой среде. По мере микробиологического расходования H 2 S зона пониженных значений pH смещалась вниз, последовательно вовлекая в окислительный процесс все более 245
В р е м я О с н о в н ы е с о б ы т и я Плейстоцен Глеевая геохимическая обстановка, слабощелочная водная среда Формирующиеся каналы полностью обводнены, карсто вые воды напорные и сильно минерализованы ( 4 - 5 г/л) Голоцен - 40-вые годы XX
века Восстановительная геохимическая обстановка Биогенная сульфат-редукция с образованием H 2 S. мобилизация (накопление) в водах Mn, а в иловых отложениях - суль фидных соединений железа Конец
40-вых годов XX века
Проникновение в пещеру О 2 ,
2 S ,
расслоение водной среды на окислительную и восстановитель ную зоны, начало осаждения гидрооксидов Fe и Mn Конец 40-вых -
начало 50-ых
годов XX века
Окислительная геохимическая обстановка с реликтовыми (в понижениях) участками гле- евой и восстановительной Маcсовое осаждение гидроокси дов Fe и Mn при активном участии микроорганизмов С 50-ых годов XX века - по настоящее время
Дегидратация и морфологическое преобразование гидрооксидов Fe и Mn, их переотложение (при колебаниях уровня вод) по пещере Рис. 8.18. Схема формирования гидрооксидов железа и марганца в пещере: 1 - пещерные воды, в том числе напорные и геохимически стратифицированные, 2 - воздух, 3 - пещерные глины, 4 - гидрооксиды железа и марганца, 5 - различные депонированные и преобразо ванные формы гидрооксидов железа и марганца, 6 - деформации усыхания пещерных глин 246
глубокие части горизонта. Что касается соотношения размеров гидрогеохимических зон, на этапе вскрытия коллектора скважинами, верхняя (аэрированная) зона занимала, по-видимому, всего лишь от нескольких десятков см до первых верхних метров водной толщи. Постепенное возрастание размеров верхней зоны (оксидизация среды) влек ло за собой осаждение гидрооксидов марганца и железа для которых нейтральные (а особенно слабощелочные) гидрогеохимические условия (верхней зоны) неблаго приятны для нахождения в растворе. Осаждение гидрооксидов происходило здесь, по-видимому, как чисто химическим путем (кислородный геохимический барьер), так и при участии железобактерий, поскольку аэробные нейтральные и слабощелочные условия весьма благоприятны для биохимического окисления Fe и Mn. Процесс этот не был, однако, масштабным, поскольку основная масса железа и марганца содержалась в "мобилизованном" виде в водах все еще большей по мощности ниж ней гидрогеохимической зоны. Геохимическая специфика этого начального этапа изменений может быть определена как окислительно-глеевая (этап миграционной активности и начала осаждения Fe, Mn). Следы этого этапа спелеолитогенеза запечатлелись на стенах пещерных ходов в виде окрашенных полос желтого и черного цвета. Особенно активно осаждение гидрооксидов происходило на этапе вскрытия
ческих условий (продвижение «фронта окисления» вниз), ускорила нейтрализацию водной среды (рис. 8.18-Г). Происходящая, наряду с процессами окисления, нейтрализация вод привела к активному массовому осаждению из вод, содержащих в большом количестве Fe и Mn (находившихся ранее за счет большей кислотности среды в растворенном виде), гидрооксидов этих металлов (автокаталитическое окисление). При этом свежеобразованные оксигидраты Fe и Mn образовывали хими чески активные поверхности для сорбирования из водной среды ассоциирующих с Fe и Mn микроэлементов (Ni, Со, Cu, Zn, Mo и др.) (сорбционный барьер). По мере снижения откачкой уровня карстовых вод и их прогрессирующей аерации восстановительная обстановка сменилась сначала глеевой, а затем и окислительной, сохраняясь лишь в наиболее глубоких участках пещеры, а также в придонном слое и иловых водах подвешенных водоемов, на которые начал распа даться пещерный водоносный горизонт. Автокаталитический процесс окисления железа и марганца протекал, по всей видимости, с активным участием марганецосаждающих и железобактерий (Andrejchuk, Klimchouk, 2001). Помимо наличия всех теоретических предпосылок, на биологическое осаждение гидрооксидов указывают обилие в железо-марганцевых образованиях различных бактерий, обогащенность бернессита и асболан-бузерита органическим веществом, а также переполненность гидрооксидов железа грибопо- добными микроорганизмами. Преимущественно раздельное залегание гидрооксидов Fe и Mn может свидетельствовать о том, что они осаждались геохимически специализированными видами микроорганизмов, осаждающими железо и марганец раздельно. Именно на этом этапе образовалась основная масса Fe - Mn осадков. Последующая гидрогеохимическая история пещерного бассейна выглядела как сопутствующая откачке и деградации горизонта (разделение на водоемы) все нарастающая нейтрализация водной толщи с сохранением восстановительных (с малым количеством H 2 S) условий лишь в отдельных изолированных (реликтовых) водоемах, утративших связь с депрессированной поверхностью водоносного гори зонта. Наиболее ярким примером в этом отношении является озеро Зеленый 247
Лабиринт (район Метрополитен). Озеро располагается в глинистой «ловушке» и имеет подвешенный (3-5 м над уровнем карстовых вод) характер. Зональность геохимических условий водной среды и ее определяющее влияние на осаждение гидроксидов заметны здесь визуально и подтверждены данными гидрогеохи мических исследований. До глубины 0,5 м глинистая поверхность дна покрыта черной пленкой гидрооксидов Mn. Глубже (до глубины 0,8-1,0 м) дно покрывает ярко-оранжевая пленка гидрооксидов Fe. Дно водоема на глубинах свыше 1 м имеет зеленовато-серый цвет, указывающий на сохранение восстановительных условий. Таким образом, на этапе постепенной деградации горизонта (с конца 50-х
2 S) подземных вод, исчезла гидрохимическая стратификация, а геохимическая обстановка стала в целом окислительной. Сероводород в небольших количествах (до 1 мг/л) сохранил ся лишь в иловых водах, а глеевая (восстановительная) среда (и, соответственно, локальная «остаточная» стратификация) лишь в наиболее глубоких горизонтах экра нированных снизу глинами озер. В субаэральных условиях последнего этапа (рис. 8.18-Д) началось преобразо вание (дегидратация) отложений Fe и Mn, «выставленных» на воздействие факторов воздушной среды. Испарение влаги привело к разуплотнению и разрыхлению пла стовых тел гидрооксидов Fe и превращению марганцевых отложений в сажистые слои. Осыпание высыхающих гидрооксидов (особенно сажистых марганцевых обра зований) обусловило накопление их у основания «окрашенных» стен. Колебания уровня вод, сопровождающих откачку, являлись причиной переотложения гидро оксидов (субколлоидные и др. взвеси) по пещере в виде тонких оранжевых пленок, а также образования в понижениях сажистых накоплений. Аналитические данные указывают, что образование гидрооксидов происходило достаточно быстро. Активная фаза их осаждения длилась от нескольких месяцев до нескольких лет. Неравномерность распространения гидрооксидов железа и марганца по пещере, их приуроченность к отдельным участкам лабиринта подтвер ждают вывод о том, что основная масса этих отложений была "сброшена" подзем ными водами именно на этапе вскрытия пещеры и активного водопонижения, т.е. обусловлена техногенным вмешательством в естественный режим карстовых вод.
Из приведенного выше анализа следует, что осаждение гидрооксидов железа и марганца в гипсовых пещерах-лабиринтах артезианского происхождения может указывать на фреатическом этапе их развития на важный рубеж в истории их формирования, а именно: на смену фреатического режима водообмена режимом вадозным (условиями приобретения водоносным горизонтом свободной поверхности). По нашему мнению, это важное событие (которому сопутствуют такие явления как начало активного дренирования карстового водоносного горизонта речной сетью, "вторжение" кислорода и др.) сопровождается резкой сменой геохимических условий и запечатлевается в разрезах толщ пещерных отложений разного вида железо-марганцевыми образованиями. То, что произошло в Золушке можно рассматривать как техногенно ускоренный и хемо(оксидо) катализированный эксперимент, продемонстрировавший в "гиперболизированном" виде характер и механизм геохимических преобразований, сопутствующих переходу карстового коллектора в гидродинамически новое состояние. Отмеченное обстоятельство позволяет предполагать, что слои железо-марган цевых образований, встреченные в разрезах отложений пещер региона (Оптими- 248
стическая, Атлантида, Буковинка) можно рассматривать в качестве гидродинами ческого (гидрогеохимического), а следовательно - спелеогенетического маркера. Вывод этот имеет, возможно, и более универсальное значение: железо- марганцевые образования могут маркировать этап перехода карстовых коллекторов из фреатического в вадозное состояние и в случае пещер в других типах карстующихся пород. Важным представляется условие быстроты переходного этапа, зависящее, прежде всего, от скорости восходящих тектонических движений: чем они интенсивнее, тем более резкий (контрастный) характер имеет смена геохимических условий и, соответственно, характер депонирования (скорость и объем материала) Fe-Mn образований. Что касается Подольско-Буковинского региона, в силу благо приятного сочетания неотектонических (активные поднятия) и геологических (непро ницаемый глинистый экран над гипсами) обстоятельств, этап этот был пройден лабиринтовыми пещерами весьма быстро. Помимо гидрооксидов, к водным хемогенным отложениям пещеры может быть отнесен гипсовый песок, обнаруженный на дне галерей Восточного района. Он представляет собой скопления небольших кристалликов гипса, осажденных в усыхающих лужах на водонепроницаемых днищах некоторых ходов.
Отложения этого типа представляют собой разнородный материал, попавший в пещеру гравитационным путем - при обрушении сводов (глава 7). Обвально-осып- ные отложения образуют слоисто-конические тела - конусообразные высыпки с усеченными (на входе в своды) вершинами (рис. 8.19). Литологически они представ лены смесью перекрывающих гипсы пород - от ратинских известняков до почв. Литологическое разнообразие обвальных накоплений определяется стадией, на которой находится гравитационная полость, «поставляющая» в пещеру материал. Рис. 8.19. Типичная высыпка (вывал) глинистого материала надгипсовых отложений (фото Б. Ридуша) 249
По данным инженерно-геологической съемки, проведенной на большей части лабиринта, в пещере насчитывается более 700 крупных (более 1м 3 ) обвально- осыпных тел. Большая часть их показана на рис. 7.8. Представляет интерес вопрос: какой объем занимают в пещере отложения данного типа? Объем высыпок изменяется от 1-2 до 100 и более м 3 . Если принять, что средний объем высыпок равен 5 м 3 , а их количество в пещере достигает примерно 700, получим 3500 м 3 . По-
видимому, истинное пространство, занимаемое в пещере обвальными отложе ниями, намного больше, поскольку многие конуса имеют гораздо больший объем, а основания большинства высыпок размыты или скрыты под глинами. Отметим еще раз, что материал обрушений явился источником вещества как для водно-механических осадков (пещерные глины), так и для части водно- хемогенных образований (железо-марганцевых). К локальному типу обвальных отложений могут быть отнесены плиты известняка, образующего прослой на участке Подвалов (рис. 8.20). Рис. 8.20. Отслаивающиеся и обрушившиеся плиты слоя кристаллического известняка (участок Подвалов) 8.5. Отложения проблемного генезиса Оригинальным типом отложений, имеющих чрезвычайно широкое распро странение в пещере, являются рыхловато-скелетные карбонатные образования на сводах и арочных частях стен пещерных ходов. Они образуют на их поверхности неправильной формы скопления разной величины (рис. 8.21 -А,Б, фотоприложение
тончайшей глинистой пленкой. Обращает на себя внимание высокая пористость, точнее скелетность и рыхлость образований. Они довольно легко отрываются от субстрата и без труда крошатся в руках, распадаясь на скелетные части, сыплющиеся между пальцами. Образования состоят, главным образом, из кальцита (90-97%), присутствуют в небольших количествах также кварц(1-4%), гипс (до 6%) и глинистые минералы (монтмориллонит, галуазит и иллит (до 5%) (Приложение 4,
250
По части локализации карбонатных образований можно отметить следующее. Несмотря на повсеместное распространение, встретить их можно чаще всего, на гипсовых поверхностях, а также на кулисах. На глинистых днищах ходов их нет. Больше всего образований в верхней части пещеры (верхнем ярусе), где они локализуются в потолочной части ходов, а также на неровной поверхности кулис и отпрепарированных коррозией выступах ритмитов. В случае гипсовых стен, карбонатные новообразования тяготеют к положительным микроэлементам их поверхности - корродированным выступам, карнизам, а также граням крупных кристаллов. Наследуя коррозионные неровности, они подчеркивают структурно- текстурные различия породы (фотоприложение 1-3,4). Часто образования «облепливают» небольшие коррозионные выступы, даже - отдельных кристаллов, придавая им характерный вид (фотоприложение 8-3). Весьма часто рыхловатая карбонатная масса покрывает слоем разной толщины выступы ритмитов, укрывая истинную природу этих морфологических образований на стенах пещер. Также кулисы, в большинстве случаев, покрыты рыхло-пористой массой, искажающей их форму и толщину (удлинение, придание неправильных извилистых очертаний и т.д). Поэтому, внешние части или края кулис легко разбиваются - даже ударом руки, но при этом следует помнить, что разрушается не истинная кулиса, а лишь ее «приращенная» часть. В среднем ярусе ходов, приурочиваясь к ребристым выступам (или даже без видимой связи с подложкой !), новообразования образуют тонкие (0,5-1,0 см) псевдокулисы (фотоприложение 8-6), состоящие из пористого материала. Природа последних, однако, пока не выяснена. Нет до конца уверенности, что они не связаны с микротрещинами в гипсах, заполненными карбонатами под давлением. Неясно, почему они имеют, несмотря на некоторую извилистость, все же ярко выраженную вертикальную ориентацию и т.д. Таким образом, рыхлые карбонатные новообразования локализуются на положительных неровностях (разного типа и величины) пещерных стен и кулисах, служивших «удобным» для химического отложения карбонатов пространственным субстратом. Литологическая (в пространственном смысле) связь с гипсовыми поверх ностями, выраженный скелетный характер образований, сравнительно равномерное очаговое покрытие ими корродированых гипсовых поверхностей позволило «с первого взгляда» предположить их остаточный характер - как нерастворимый скелет карбонатно-терригенной примеси, выполняющей пространство между крупными кристаллами гипсовой породы. В пользу этого предположения свидетельствовала, при этом, их приуроченность к верхней части разреза гипсов - к сводам ходов верхнего яруса, развитых в крупнокристаллических гипсах. Однако факты, прежде всего - приуроченность к негипсовому субстрату, высокая химическая чистота гипсов и мн. др. несомненно указывают на хемогенно- осадочное происхождение этих образований. В этом случае они представляют собой своего рода пещерные туфы, возникшие в результате выпадения из воды карбонатов. В. П. Коржик (1989) перечисляет факторы, могущие явиться причиной или стимулировать процесс карбонатообразования: физико-химические (изменение парциального давления СO 2 в водах за счет изменения гидростатического давления в водной толще, изменение температуры вод), гидро- и биохимические (насыщение вод сульфатами, сероводородом, их дегазация, изменение pH среды, деятельность микроорганизмов) и физико-механические (наличие карбонатного субстрата - нерастворимый остаток на поверхности стен - способствующего осаждению карбо натов). 251
Рис. 8.21. Скелетно-пористые карбонатные новообразования на гипсовых сводах пещерных ходов Казавшаяся на первых порах очевидной первая версия (остаточные образования) противоречит факту несоизмеримости количества покрывающего своды материала и его содержания в гипсах. Последние, как известно, отличаются высокой химической чистотой. Нерастворимый материал в породе находится в рассеянном виде и визуально не различим. Из логики версии следовало бы, что остаточный материал освобождается in situ коррозионным действием малоподвижных вод, что предохраняет остаточный скелет породы от механического разрушения, но в то же время это указывало бы на то, что нерастворимый материал в породе распространен очень неравномерно, образуя сгустки и скопления. Это противоречит фактам. Невероятной выглядит также возможность удержания механической связи между частицами нерастворимого скелета в виде цельных значительного размера скелето-пористых кусков. Вторая - водно-хемогенная версия, при всей, в общем-то, очевидности хемоге- нетического происхождения туфов, также не нашла еще однозначного объяснения. Основным ее недостатком является неясность пока механизма осаждения туфов на сводах и кулисах. Предположений здесь может быть несколько. На этапе развития пещеры, когда полости были целиком обводнены, а воды имели напорный характер, уменьшение количества СO 2 в верхней части водной толщи могло происходить вследствие снижения в этом направлении гидроста тического давления. Более вероятным кажется предположение, что карбонатные новообразования следует относить к более раннему этапу развития пещеры - к активной фазе спелеогенеза, когда напорный водоносный комплекс был вскрыт Прутом (см. главу
дегазация (эффект шампанского в очень замедленном виде), имевшая место на протяжении всей активной фазы. Новообразования - материальные «свидетели» этого процесса на завершающем активную фазу этапе. Если это предположение получит теоретическое обоснование (расчеты) и эмпирические свидетельства - 252
получим еще одно интересное явление, характеризующее (маркирующее !) активную фазу спелеогенеза (карбонатный состав материала позволяет произвести датирование абсолютного возраста). Таким образом, происхождение данного типа отложений пещеры имеет дискус сионный характер, но, скорее всего, их следует относить к водно-хемогенным осадкам типа карбонатных новообразований. 8.6. Деформации в отложениях В результате техногенного водопонижения пещерный лабиринт на большей своей части осушился. Покрывающие днища ходов водонасыщенные глинистые отложения обнажились и оказались под воздействием факторов новой - субаэ- ральной среды. Воздухообмен с поверхностью, несмотря на замедленный характер, обусловил непрерывное испарение влаги с их поверхности. Медленный, но неуклонный процесс потери отложениями влаги привел к возникновению в них разного рода деформаций усыхания, т.е. нарушений сплошности и первичного характера залегания, которые, в свою очередь, послужили первопричиной ряда геодинамических явлений производного характера. Наиболее распространенным и ярко выраженным типом деформаций являются
имеют в пещере повсеместное распространение и образуют такыроподобные повер хности (Горбунова, Андрейчук, 1985). Рисунок «паркета» усыхания определяется, прежде всего, характером коренного основания, на котором залегает глинистый слой (рис. 8.24). В случае повторного обводнения, сопровождающегося седиментацией глинистой взвеси, сеть трещин приобретает «оплавленный» вид (рис. 8.22). В глинах, залегающих на ровном субстрате формируются регулярные полигональные сети трещин (рис. 8.24-А). Размеры и характер полигонов в них определяются продолжительностью усыхания, а также мощностью глинистого слоя.
253
Рис. 8.23. Деформированная поверхность глин с трещинами усыхания в профиле пещерного хода (фото В. Киселева) Чем дольше глинистый слой усыхает, тем глубже проникают вниз (вплоть до гипсо вого основания, где оно имеется) трещины и тем гуще становится сеть. В ее рисунке появляются новые, все более молодые генерации, ориентация которых опреде ляется пространственным характером первично возникшей сети. Густота сети трещин зависит также от мощности глинистого слоя, подвер женного растрескиванию. Чем его толщина меньше, тем усыхание происходит быстрее, а паутина сети соответственно сгущается. Таким образом, сети участков с разной мощностью отложений за тот же период усыхания приобретают рисунки разной «зрелости». Если усыхающие глины располагаются на неровном основании, полигональные сети приобретают ориентированный характер. В случае возвышений или углуб лений гипсового субстрата возникают сети, состоящие из концентрических и радиальных трещин. На поднятиях трещины наиболее раскрыты в центре сетевой структуры (рис. 8.24-Б), а в понижениях - по их краям (рис. 8.24-В). На наклонных основаниях главной составляющей рисунка являются параллельные поперечные трещины, разделяющие глинистый слой на своего рода ступени (рис. 8.24-Г). На рис. 8.24 приведены только главные типы сетей трещин усыхания. Много численные вариации субстрата и мощности глин, а также стадий усыхания осадка предопределяют наличие множества иных рисунков, промежуточных между «чисты ми» типами, а также производных от них. 254
Рис. 8.24. Основные типы сетей растрескивания глинистых отложений в зависимости от характера основания: А - равномерная полигональная на ровном основании, Б - радиально-концентрическая на выпуклостях основания, В - радиально-концентрическая в просадках, Г - линейно-ступенчатая на наклонном основании 255
Трещины усыхания в сетях имеют разную величину, которая определяется мощностью глинистого слоя, а также длительностью развития. С каждым годом увеличивается глубина и ширина трещин. Естественным ограничителем углубления трещин является мощность слоя глин, а их роста в ширину - убывающее влагона- сыщение глин. В развитии трещин усыхания на протяжении техногенного периода развития пещеры можно отметить следующее. В 70-х годах их глубина колебалась в границах 0,1-0,5 м, ширина - 1-5 см. В 80-90-е годы многие трещины имели уже метровую глубину при ширине до 10-20 см. Естественно речь идет о весьма усредненных данных. Из этого следует, что развитие трещин усыхания имеет (имело) неустанный, прогрессирующий характер. Поскольку процесс высыхания глин происходил «на глазах», удалось установить некоторые временные закономерности процесса усыхания. В первые (1976-1978) годы посещения пещеры глины были еще весьма влагонасыщенными и очень скользкими. В 80-е годы они стали «нормально- влажными», их блестящие ранее поверхности поматовели. В 90-е годы процесс усыхания продолжался, но его темпы становились все медленнее. Визуально заметный резкий скачок от первично-влажного состояния глин до нормального объясняется фактом ускорения усыхания - по мере растрескивания глинистых поверхностей. Каждая новая трещина или углубление ранее возникшей, увеличивали поверхность испарения. Поэтому, потеря глинами влаги на раннем этапе (интенсивного растрескивания, 70-е годы) имела возрастающий (прогрес сивный) характер. По мере обезвоживания глин процесс их растрескивания стал естественным образом замедляться. Усыхание глин вызвало уменьшение их объема (по оценке В. Коржика и Б. Ридуша, 1989 - на 20-30%) и привело к возникновению целого ряда производных (от объемного изменения пород) инженерно-геологических явлений. Среди них можно выделить: оползневые, просадочные и провальные явления (Андрейчук, 1994). Деформации оползневого типа имеют место на участках, где глины лежат на наклонной поверхности. Чаще всего, это основания стен ходов верхнего яруса. Смещению глинистого материала вниз способствует значительный (10-40°) наклон скользящих поверхностей. Главной, однако, причиной, провоцирующей сползание материала вниз, является уменьшение объема глинистых отложений в днищах, вследствие чего глинистые массы на стенах переходят в неустойчивое состояние. Они перемещаются вниз настолько, насколько позволяет пространственная предпо сылка - степень уменьшения объема глин. Обычно глины сползают вниз на 0,1-0,5 м. В исключительных случаях, если, например, в днище хода произошло сущест венное оседание глин, растрескавшиеся глинистые блоки смещаются на большее расстояние, иногда обваливаясь в просадочное понижение. Оригинальным типом деформаций в днищах ходов являются также просадоч- ные и провальные образования (фотоприложение 10). Морфологически среди них можно выделить овально-концентрические (рис. 8.25) и продолговатые (рис. 8.25) формы. Овально-концентрические образования встречаются реже, как правило, в местах, где днища ходов расширяются. Они образуют на их поверхности небольшие воронкообразные углубления (рис. 8.25-В). Диаметр форм колеблется от 0,5 до 2,5 м, глубина до 1 м. Впадины на рис. 8.25 имеют (большая и меньшая соответственно) диаметр 2 х 2,5 м и 0,7 х 1,9 м, а глубину 0,8 и 0,7 м. 256
Рис. 8.25. Просадочные (А, В) и провальные (Б) образования в глинистых днищах ходов: А, Б - общий вид, В - воронкообразные углубления на входе в зал Увертюра (фото С. Волкова) Среди овально-концентрических образований обращают на себя внимание небольшие (диаметр 0,3-0,5 м) углубления с отвесными стенками (рис. 8.25-Б,
рисунка сети трещин указывают на одноактный характер сдвижения нарушенного блока, что позволяет отнести деформации этого типа к провальным. Наблюдения показали, что они образуются над небольшими пустотами, возникающими в толще глин в результате процессов внутри глинистых толщ (расслоения, усыхания, проседания и т.д.). Подобные микропровальные явления можно отнести к вторичным, сопутствующим явлениям, сопровождающим процесс усыхания и деформирования глинистых толщ. По-видимому, они являются более поздним по времени образования типом деформаций, характерным для поздних стадий усыхания отложений. Типично просадочные концентрические формы (или формы оседаний) (рис.
происхождение указывает, помимо формы, рисунок трещинной сети: в отличие от провальных случаев, трещины в них образуют единую с окружением систему (рис.
257
развития деформаций этого типа. Последние имели место на более ранних этапах усыхания, когда глины находились еще во влажно-пластичном состоянии (70-е годы). Провально-просадочные деформации концентрического типа наиболее часто встречаются в днищах крупных залов (рис. 8.26). Рис. 8.26. Провальные и просадочные формы в Античном Зале: 1 - обвальные образования, 2 - осыпные конуса на полу пещеры, 3 - провалы и просадки в днище зала, 4 - склоны крупных высыпок Продолговатые - вытянутые вдоль пещерного хода просадочные деформации - имеют гораздо большее, чем овально-концетрические, распространение и отлича ются большими размерами. Они характерны для западных, менее объемных, райо нов пещеры, где преобладают сравнительно узкие (1,5-3,0 м) хода, а глины запол няют преимущественно вертикальную часть профиля «замочной скважины». Проса- дочные деформации этого типа характеризуются значительной глубиной (1-3 м) и образуют в днищах ходов фрагменты каньонов, затрудняющих продвижение по пещерному ходу. Крупные размеры просадочных деформаций, как, например, в районе Веселом (рис. 8.27), наводят на мысль, что в их образовании принимали участие и другие, помимо уменьшения объема глин вследствие усыхания, факторы. К последним могут быть отнесены: наличие полостей нижнего яруса, в которые может оседать
нижении) вынос материала, обусловливающий разуплотнение отложений или освобождение пространства для их нисходящего перемещения. 258
Рис. 8.27. Просадочные деформации в глинистых днищах ходов в Веселом районе пещеры Действие упомянутых факторов («снизу») нашло свое подтверждение в некото рых районах пещеры. В переходном районе Подвалов, например, заложенном в средней части разреза гипсов вдоль локально развитого монолитного слоя карбона тов, обращают на себя внимание необычные колонны (рис. 8.28), образованные оседанием глин с ходов верхнего яруса. Вертикальный характер колонн и блестящие поверхности их стен, указывают, что глинистый материал поступает сверху под давлением, а отверстия, через которые он выдавливается, довольно узки. Логично предположить, что в днищах ходов верхнего яруса над полостями Подвалов разви лись просадочные углубления сравнительно больших размеров. Спусковым механизмом процесса явилось, скорее всего, уменьшение в объеме глинистого заполнителя, что позволило глинам начать свое нисхождение по полос тям, соединяющим ярусы. Следует заметить, что подрайон Подвалов является частью района Голландский Сыр, отличающегося сложной объемной морфологией. Весьма вероятно, что начальные звенья процесса были в существенной мере стимулированы, а возможно - синхронизированы с понижением уровня воды при формировании депрессионной воронки. После водопонижения процесс развивался «в сухую» - по инерции. 259
Рис. 8.28. Колонна выдавливания отложений верхнего яруса в полости нижерасположенного яруса. Район Подвалы Понижение уровня воды, связанное с откачкой в карьере, а также последующие его колебания, главным образом на уровне нижнего яруса полостей, могли быть причиной суффозионных процессов: разуплотнения, а частично и выноса материала из полостей. Следует помнить, что в основании глин залегает разной мощности слой рыхлых карбонатных образований, которые в отличие от водоне проницаемых глин, суффозионноподвержены. Большее значение, однако, суффози- онный процесс мог иметь место при перетоках вод из пещерных водоемов и бассейнов (см. главу 6) в их стремлении найти (проложить) пути сквозь глинистый экран днищ вслед за опускающимся уровнем подземных вод. Таким образом, период обезвоживания пещеры сопровождался ярко выражен ными преобразованиями пещерных отложений, прежде всего, глинистого заполни теля ходов. Преобразования эти еще раз демонстрируют, насколько существенными могут быть изменения в подземных полостях при осушении карстовых коллекторов. 8.7. Проблемные вопросы формирования отложений пещеры Описанные выше отложения пещеры, в целом ряде случаев весьма своео бразны или даже - уникальны. Комплекс пещерных отложений Золушки весьма неоднороден как в генетическом (разные генетические типы), так и возрастном отношениях (от древних, возможно сингенетичных начальным стадиям спелеогенеза до молодых, современных). Объяснение механизмов формирования некоторых из них имеет на данном этапе дискуссионный характер. Это касается, прежде всего, следующих случаев. 1. Карбонатно-суглинистые отложения, образующие слой в основании разреза толщ (см. параграф 8.1). В их формировании (точнее - их карбонатной составляющей) нельзя исключить участия еще одного - депозиционного фактора- обстоятельства - осаждения кальцита из напорных вод, поступавших снизу и обогащенных карбонатами. Ранее, в одной из первых работ, посвященных Золушке, автор отмечал возможность такого механизма, объясняя им карбонатную 260
цементацию кулис (Андрейчук, Коржик, Куница 1983). На возможность хемогенного осаждения кальцита из поступающих из нижележащих карбонатных комплексов вод указывает также А. Б. Климчук (устное сообщение), исследовавший с В. Я. Рогожниковым (1982) подобный карбонатный материал в Атлантиде - на «коренном» дне магистральных ходов, а также интересные кальцитовые коры в ходах переходного яруса. А. Б. Климчук считает, что кальцит может осаждаться при растворении гипса за счет эффекта общего иона. Следует обстоятельно изучить карбонатные образования Золушки и пещер региона под углом «сброса» карбонатов на артезианской стадии спелеогенеза. Помимо отмеченных суглинисто-карбонатных образований Золушки и карбонатных - Атлантиды, хемодепозиционный механизм может оказаться существенной составляющий при цементации кулис и основной причиной формирования травертиноподобных образований на сводах и стенах полостей Золушки. Однако, при этом, потребуют объяснения такие обстоятельства, как глинизированность и песчаность карбонатно-суглинистых образований в днищах ходов, а также - приуроченность пористых карбонатных новообразований к сводам полостей в верхней - замочной части профиля ходов, который мог сформироваться на более поздних, чем артезианский, этапах образования пещеры (на стадии водного зеркала). 2. Слоистые пещерные глины. При всей очевидности их формирования (осаждение в застойной водной среде вследствие гравитационного «отмучивания» перекрывающих глинистых пород при их обрушении в пещеру) остается неясным происхождение их отчетливой слоистости, точнее микрослоистости. Предложенная седиментационно-диагенетическая гипотеза кажется наиболее правдоподобной, поскольку в пещерной среде не действовали (?) какие-либо циклические процессы типа сезонных на поверхности. Тем не менее, вопрос требует дополнительных исследований и привлечения усилий специалистов - литологов и седиментологов. Возможно микрослоистость имеет наложенный характер в смысле «перекрестного» наложения оседающей мути от разных источников-вывалов, происходивших в разное время. Муть же, в специфических условиях водной среды и при коллоидном состоянии частичек могла переноситься на значительные расстояния. 3. Железо-марганцевые образования - сталагмиты. Как уже отмечалось при характеристике этого уникального типа образований, сталагмиты представляют собой биогенные постройки. Они - продукт «конструкционной» деятельности грибо образных организмов, утилизирующих органическое вещество и продуцирующих, находясь в сложных симбиотических отношениях с железопродуцирующими бактериями, гидрооксиды железа, в меньшей мере марганца. В настоящее время проводятся серьезные микробиологические исследования, которые должны ответить на вопросы о типе (виде) этих организмов, расшифровать их функциональ ную геохимическую специализацию и выяснить причины и особенности их колониальной организации. Вполне возможно, что эти исследования приведут к интересным открытиям. 4. Елочно-сталактитовые агрегаты из гидрооксидов марганца (рис 8.14,
которые нуждаются в тщательном минералогическом исследовании. Наличие железистого трубчатого «стержня» в них, а также присутствие в материале нитей грибоподобных микроорганизмов также указывает на их биогенную природу. 261
|