Characteristics of secondary deposits in the Starateley cave (Sverdlovsk Region)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Пещера Старателей была обнаружена М. Цыганко и обследована в мае 2011 г. спелеологами Казани и Екатеринбурга. Пещера расположена на левом берегу р. Сосьва, в 3 км выше по течению от устья р. Калья. Длина пещеры составляет около 600 м (Орлов и др., 2011). Несмотря на небольшую длину, пещера является одной из самых больших по объему (более 17.5 тыс. м³) подземных полостей Свердловской области. Нижние этажи пещеры непосредственно связаны с р. Сосьва и являются каналами, по которым осуществляется переток поверхностных и подземных вод (Орлов и др., 2011). В морфологическом отношении пещера относится к горизонтальным пещерам со входами, расположенными на разных высотных уровнях. Пещера находится в коридорно-речной и периодически водной стадиях развития (Максимович, 1969).

Вход в пещеру расположен на высоте 9 м от уровня реки, в борту известнякового массива высотой до 40 м. Входной канал имеет треугольное сечение и высоту до 4 м, ширину в нижней части — до 2.5 м. Он обрывается семиметровым уступом и выходит в Центральный грот − самый объемный грот пещеры. В зимний период через вход в пещеру попадает снег, который в дальнейшем трансформируется в зернистый фирн или лед, не стаивающий полностью даже летом. В центральной части грота расположен большой глыбовый завал. Обрушенные плиты вблизи стен в южной части грота перекрыты глинистыми отложениями, в которых встречаются костные остатки млекопитающих позднего плейстоцена (бизона, шерстистого носорога, северного оленя и др.; неопубликованные данные, определение П. А. Косинцева, ИЭРиЖ УрО РАН), предположительно относящиеся к микулинскому межледниковью (морская изотопная стадия MIS5е). По-видимому, глинистые отложения с костными остатками были замыты в пещеру через верхние (в настоящее время недоступные) входы-трещины с поверхности карстового массива.

В период с августа 2016 по июль 2017 г. проводился мониторинг температуры воздуха в Центральном гроте (даталоггер HOBO Water Temp Pro v2; погрешность измерения 0.1 °C; измерения с часовым интервалом; рис. 1).

 

Рис. 1. Ход температуры воздуха в Центральном гроте пещеры Старателей.

 

Максимальная температура в гроте была зафиксирована 25 августа 2016 г. (при температуре на поверхности по данным метеостанции г. Североуральска 29 °С) и составила 12.3 °С, минимальная — –5.8 °С была зарегистрирована 12 февраля 2017 г. (при температуре на поверхности по данным метеостанции г. Североуральска –33 °С). Полученный годовой ход температур указывает на регулярное замерзание и оттаивание водных растворов в этой части пещеры, что приводит к формированию минеральных отложений различного генезиса.

Методы исследования. Изучение морфологии и химического состава новообразованных пещерных минералов проводилось на сканирующем электронном микроскопе VEGA 3 LMH с системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350/X-max 20 в Горном институте УрО РАН (аналитик О. В. Коротченкова). Изотопные анализы углерода и кислорода выполнялись в Innsbruck Quaternary Group при Инсбрукском университете (руководитель — академик Австрийской академии наук, профессор К. Шпетль) на масс-спектрометре Delta V (Thermo Fisher Scientific), оснащенном автоматической линией для анализа карбонатов на основе интерфейса GASBENCH (Spötl, Vennemann, 2003).

²³⁰Th/²³⁴U-датировки были выполнены методом масс-спектрометрии с термической ионизацией (TIMS). Изотопы U-серии были измерены на масс-спектрометре MAT 262 RPQ TIMS в университете г. Шьян (Китай, руководитель H. Cheng). Все коэффициенты активности были вычислены при помощи констант радиоактивного распада (Cheng et al., 2000) и скорректированы по детритовому Th, предполагая, что кларковое соотношение ²³²Th/²³⁸U для детритового материала равно 3.8, и ²³⁴U и ²³⁸U находятся в вековом равновесии. Абсолютные даты указаны в тыс. лет назад (от 1950 г.).

Минералогическое описание и морфология спелеотем. С поверхности плит и стен в Центральном гроте для исследования нами были отобраны 4 пробы пещерных отложений (рис. 2). Сталагмит (проба 1) был отобран с западной стены Центрального грота пещеры (рис. 3, а). Натечные образования в гроте выглядят специфично, у них рыхлая корродированная поверхность и белый цвет. Очевидно, это связано с замерзанием воды на сталагмите и прекращением роста кальцита в зимнее время, когда в гроте фиксируются отрицательные температуры (см. рис. 1).

 

Рис. 2. Места отбора образцов пещерных отложений (кружки) и расположение станции мониторинга температуры (указано звездочкой) на плане пещеры.

 

Рис. 3. Общий вид карбонатных образований в местах отбора проб: a — сталагмит (проба 1); б — агрегаты кальцита двух видов: на поверхности камней кальцит светло-желтой окраски, сверху перекрыт белыми корочками и сферолитовыми образованиями (проба 2); в — сферолиты кальцита (проба 3); г — кальцитовый порошок на поверхности камней (проба 4).

 

Проба 2 была отобрана на поверхности плоской глыбы известняка и состояла из двух типов кальцита. Верхний слой представлен сферолитами белого цвета (пещерный жемчуг), состоящими из плоскогранных ромбоэдрических индивидов, расщепленных на концах (рис. 4, a, б). Размер сферолитов достигает 5 мм. Некоторые сферолиты сцементированы более поздней новообразованной кальцитовой коркой (рис. 4, в, д), иногда вместе с обломками костей летучих мышей (рис. 4, г). Ниже находятся рыхлые скопления кристаллов кальцита светло-желтой окраски. В основном это корочки кальцита с плоским основанием, которые состоят из разноориентированных ромбоэдрических кристаллов с различной степенью расщепления, иногда до сферолитов (рис. 5). Размер светло-желтых агрегатов достигает 4—5 мм. Проба 3 состоит из белых сферолитов кальцита со схожей морфологией (рис. 4, a, б).

 

Рис. 4. Морфология сферолитового кальцита белого цвета из проб 2 и 3: а, б — строение пещерного жемчуга; в—д — новообразованная кайма, обрастающая сферолиты и костный детрит. Фотографии под электронным микроскопом.

 

Рис. 5. Морфология выделений кальцита светло-желтой окраски из пробы 2: a — корочка, сложенная разноориентированными кристаллами; б — плоское основание срастания сферолита и корочки; в — сросток блоковых кристаллов; г — агрегат расщепленных кристаллов; д — сферолитовый агрегат. Фотографии под электронным микроскопом.

 

Проба 4 была отобрана на поверхности глыб известняка и представлена мучнистым порошком (кальцитовой «мукой»). Отдельные ромбоэдрические кристаллы кальцита размером от 5 до 25 мкм имеют разную степень расщепления, а срастаясь, формируют корочки с плоским основанием размером 100—150 мкм (рис. 6).

Рис. 6. Морфология кристаллов и агрегатов кальцита из пробы 4. Фотографии под электронным микроскопом.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Химический состав новообразованных минералов. Для характеристики химического состава всего было выполнено 32 анализа минеральных образований, в том числе из муки — 17, пещерного жемчуга — 6, и кальцита светло-желтого — 9.

Наиболее «чистым» является кальцит пещерного жемчуга, поскольку в нем не выявлено примесей S и Mg (рис. 7, б). Кальцитовая мука содержит небольшую примесь серы (до 0.03 ат. %) (рис. 7, a), а в кальците светло-желтой окраски зафиксировано незначительное (до 0.02 ат. %) содержание магния и серы (рис. 7, в). Наличие малых элементов в кальците характеризует микроклиматические и гидрохимические условия минералообразования (соотношение Mg/Ca в растворах, щелочность, величина pH, температура и др.).

 

Рис. 7. Соотношение кальция, магния и серы (атомарное количество) в кальцитовой муке (а), пещерном жемчуге (б) и кальците светло-желтой окраски (в).

 

Изотопный состав кислорода и углерода. Изотопный состав С и О кальцитовой муки, жемчуга и кальцита светло-желтой окраски сравнивали с изотопным составом натечного кальцита (сталагмита), отобранного в том же зале пещеры. Всего было выполнено 30 анализов по оси роста сталагмита с шагом 1 мм, 14 анализов кристаллов кальцита светло-желтой окраски, 3 анализа пещерного жемчуга и 1 анализ кальцитовой муки. Изотопный анализ углерода и кислорода сталагмита дал значения δ¹⁸O от ‒9.5 до ‒13.0 ‰ VPDB и δ¹³C от ‒4.4 до ‒7.9 ‰ VPDB (аналитическая погрешность на уровне 1σ составляет 0.1 ‰ для обоих изотопов). Кальцит светло-желтой окраски по сравнению с натечным кальцитом, мукой и жемчугом имеет облегченный изотопный состав кислорода (на 4—5 ‰) и более тяжелый состав углерода (на 5—7 ‰, рис. 8).

 

Рис. 8. Изотопный состав сталагмита (1), кальцитовой муки (2), пещерного жемчуга (3) и кальцита светло-желтой окраски (4).

 

Облегченный, по сравнению с натечным кальцитом, состав кислорода, а также более тяжелый состав углерода, зафиксированный в кальците светло-желтой окраски, дает основание отнести его к криогенным минералам, образованным при медленном замерзании и ограниченной дегазации СО₂ (Žak et al., 2018). Такие условия реализуются в пещерах на этапе деградации (протаивания) многолетней мерзлоты. Изотопный состав С и О кальцитовой муки и пещерного жемчуга практически не отличается от изотопного состава натечных отложений.

Th/U-датирование карбонатных образований. Кальцит светло-желтой окраски дал возраст 85.4 ± 0.5 тыс. лет, что соответствует относительно краткосрочному периоду потепления — интерстадиалу (GI21) морской изотопной стадии MIS5 плейстоцена (см. таблицу).

 

Результаты ²³⁰Th/²³⁴U-датирования карбонатных образований из пещеры Старателей

Results of ²³⁰Th/²³⁴U-dating of carbonates from the Starateley cave

№	Образец	238U, ppb	232Th, ppb	230Th/238U	Возраст без коррекции, тыс. лет	Возраст с коррекцией, тыс. лет	Относительная ошибка, %
1	Пещерный жемчуг	24.2 ± ± 0.1	2466 ± ± 50	0.1076 ± ± 0.0135	9.835 ± ± 1.295	7.366 ± ± 2.120	28.79
2	Криогенный кальцит светло-желтой окраски из пробы 2	3095 ± ± 5.0	52862 ± ± 1061	0.6790 ± ± 0.0018	85.837 ± ± 0.393	85.382 ± ± 0.478	0.56

 

Криогенный кальцит, образованный в периоды интерстадиалов, был выявлен и описан авторами в 12 пещерах Северного, Среднего и Южного Урала (Чайковский и др., 2014; Dublyansky et al., 2018). Во время потеплений происходило протаивание многолетнемерзлых пород настолько, что верхняя граница мерзлоты опускалась до свода пещеры. Вода поступала в пещеру, все еще находящуюся в зоне отрицательных температур, и замерзала. При дальнейшем потеплении, когда температура в пещере поднималась до ~0°C, медленное замерзание инфильтрационной воды в небольших «бассейнах» приводило к криогенной концентрации остаточного раствора и образованию кальцита.

Пещерный жемчуг дал голоценовый возраст (7.4 ± 2.1 тыс. лет). Большая погрешность (28.9 %) объясняется низким содержанием урана и загрязнением детритальным торием.

Датировка сталагмита была признана нецелесообразной после петрографического изучения образцов, указавшего на высокую вероятность геохимической открытости системы (вынос урана из кальцита).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Криогенное происхождение кальцита светло-желтой окраски из пробы 2 установлено на основании характерной морфологии кристаллов и агрегатов, а также характерного смещения изотопного состава (облегчение O, утяжеление C) относительно «обычных» натеков пещеры. Находка криогенного кальцита, который формировался при таянии многолетнемерзлых пород, свидетельствует об условиях микроклиматически закрытой карстовой системы в это время. Следует полагать, что во время образования этого кальцита, вход в пещеру был значительно меньше, чем в настоящее время, либо полностью отсутствовал. Температура в этой части пещеры была относительно стабильной и контролировалась не адвективным теплопереносом (охлаждение пещеры, связанное с сезонным поступлением холодного воздуха и снега), а кондуктивным — через толщу пород в условиях многолетней мерзлоты. ²³⁰Th/²³⁴U-датирование кальцита позволило установить время, по крайней мере, одного эпизода деградации многолетней мерзлоты в результате потепления климата на восточном склоне Северного Урала (85.4 ± 0.5 тыс. лет назад).

Благодаря широкому диапазону температур воздуха (от –5.8 °С до 12.3 °С) пещера, а в особенности ее объемная привходовая часть, может служить модельным полигоном для изучения процессов современного минералообразования (при изменяющихся в течение года фациальных обстановках).

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-55-14002 «Миграция границы многолетней мерзлоты на границе Европа-Азия в плейстоцене» и гранта FWF № I027070 «Pleistocene permafrost boundary shifts at the Europe-Asia border».

About the authors

Olga Kadebskaya

Perm Federal Research Center Ural Branch Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: icecave@bk.ru

Kungur laboratory, Head of the laboratory, Ph.D, Mining Institute UB RAS

Russian Federation, Sibirskaya str. 78-а, Perm, Russia, 614007

Yuri Dublyansky

Innsbruck University, Institute of Geology

Email: juri.dublyansky@uibk.ac.at

Senior researcher, Ph.D

Austria, Innsbruck, Austria, 6020

Oksana Korotchenkova

Perm Federal Research Center Ural Branch Russian Academy of Sciences

Email: korotchenkova@mi-perm.ru

laboratory of mineral resources geology, researcher, Ph.D, Mining Institute UB RAS

Russian Federation, Sibirskaya str. 78-а, Perm, Russia, 614007

References

Supplementary files