Введение 3
Глава 1. Литературный обзор 8
Глава 2. Объект и методы исследования 10
2.1 Геологическое строение и история развития территории 10
2.2 Полевые исследования 20
2.2.1 Геологическое строение пещерного блока Кулогорского уступа 20
2.2.2 Отбор проб и зональность пещер 22
2.3. Инструментальные исследования 37
Глава 3. Литологический обзор изученных пород 41
3.1 Типизация образцов из кернов 41
3.2. Описание шлифов 43
Глава 4. Минералогическая характеристика водно-механических отложений 47
4.1. Минеральный состав зерен из гидроловушек 47
4.2. Результаты рентгенофазового анализа 57
4.3 Химический состав породообразующих минералов 69
4.3.1 Подкласс слоистых силикатов 69
4.3.2 Полевой шпат 71
4.3.3 Кварц 73
4.3.4 Доломит и кальцит 73
4.3.5 Группа барита 75
4.3.6. Группа граната 76
4.3.7. Группа амфиболов 77
4.3.8. Гипс 78
4.3.9. Акцессорные минералы 79
Глава 5. Геохимическая характеристика водно-механических отложений 82
Выводы 84
Список литературы
Кулогорские пещеры располагаются недалеко от деревни Кулогоры в Пинежском районе Архангельской области, входы в них вскрыты в подножии Кулогорского уступа в междуречье р. Пинега и р. Сотка (рис.1, рис.2). В районе развито большое количество форм подземного карста, которые приурочены к выходам сульфатных пород. Сульфатный тип карста достаточно распространен, в исследуемом районе на формирование карстового рельефа достаточно сильно повлияли последние оледенения. Особенности геологического строения и развития территории сформировали уникальные карстовые ландшафты, которые не имеют аналогов на нашей планете (Малков и др., 2001).
Кулогорские пещеры имеют статус уникального геологического объекта и являются геологическими памятниками регионального значения (Шаврина, 2014; https://map.mineral.ru/). Они относятся к пещерам лабиринтного типа с разветвленной сетью ходов и являются паводковыми (Малков и др,. 2001). Пещера Кулогорская-Троя уникальна тем, что имеет протяженность 18600 м и занимает одно из ведущих мест после гипсовых пещер Подолии (пещ. Оптимистическая, пещ. Озерная и др.) по протяженности (https://speleoatlas.ru, http://www.caverbob.com/gypcave.htm).
Впервые описание Кулогорской пещеры было проведено в 1837 г. российским академиком Александром Ивановичем Шренком. В первой половине ХХ века множеством ученых прилагались усилия для создания подробного топографического описания пещер. Комплексные геологические же исследования проводились только в период 1974-1982 гг. Карстовым отрядом Архангельской геологической службы. Результаты исследований полученные Карстовым отрядом сведены с книгу «Карст и пещеры Пинежья» (Малков и др., 2001). В книге рассмотрены различные типы отложений в пещерах Пинежья в целом. Приведены примеры наиболее древних отложений Пинежья - по датировкам полученных с помощью спорово-пыльцевого анализа (10.2 - 8 тыс. лет) установлены самые древние обломки и линзы карбонатного туфа на дне аллювиального канала в пещ. Голубинский Провал (Голубинский спелеомассив) (рис.2). Но предполагается, что существуют и более древние отложения песчано-алевритовых пород с гипсовым цементом в пещере Конституционная. На данный момент они не датированы.
Водно-механические отложения (ВМО) состоят из нескольких типов отложений: озерных, аллювиальных и аллохтонных. Озерные отложения состоят из глин, суглинков и алевритов, сформировавшихся в спокойных гидродинамических обстановках в основном из остаточных отложений. Аллювиальные отложения формируются под воздействием временных и постоянных водных потоков и состоят из песков, алевритов и обломков карбонатных пород. Аллохтонные отложения состоят из материала, поступающего с поверхности через трещины (Малков и др., 2001).
Следующим этапом в изучении геологии Кулогорского спелеомассива стали подробные исследования минералогического состава всего комплекса вторичных отложений. Эти исследования проводятся на базе Архангельской спелеологической ассоциации (АСА) «Лабиринт» силами сотрудников каф. минералогии Института Наук о Земле (ИНоЗ) СПбГУ и при поддержке спелеологов из Секции Спелеологии Горного Института и консультации главного геолога Пинежского заповедника Е.В. Шавриной. Данная работа является частью этих исследований. Автор вместе с инж. ИНоЗ СПбГУ Седовой А.М. принимал участие в экспедициях в Кулогорские пещеры (рис. 3, рис. 4) на базе Архангельской спелеологической ассоциации (АСА) «Лабиринт» в январе 2018 г., марте 2019 г. и марте 2020 г. Нами были отобраны часть образцов для этой работы, составлены геологические разрезы пород пещерного блока.
По времени образования ВМО разделяются на современные (отложения современных водотоков), молодые (залегающие выше действия современных потоков), древние (залегающие на верхних ярусах пещер и выполняющие древние каналы - без признаков литификации) и палеозаполнители (литифицированные отложения древних каналов, вероятно, неоген-четвертичного возраста или более древние) (Малков и др., 2001). Все типы отложений, залегающие в Кулогорской системе, находятся в зоне сезонных колебаний уровней подземных вод, поэтому практически все ВМО, в том числе и древние, перекрываются современными отложениями.
Данная работа посвящена изучению минералогии водно-механических отложений из разных частей пещер (пещеры Водная и Кулогорская-Троя) и сезонных осадков, уловленных гидрологическими ловушками во время паводка. Минералогия отложений пещер и условия их формирования на сегодняшний день изучены слабо. Изучение минерального состава современных паводковых осадков и сравнение их с различными пещерными отложениями поможет понять условия формирования отложений на разных стадиях развития пещер.
Главная цель этой работы - установить пространственно-временные закономерности формирования различных по составу отложений в системе Кулогорских пещер.
Для достижения этой цели было поставлено несколько задач:
• Рассмотреть стратиграфическое положение пород пещерного блока с привязкой расположения гидроловушек (ГЛ), с целью возможности учесть влияние остаточно- дескамационных обломков на состав ВМО
• определить минералогический состав осадка из гидроловушек, уловленного во время паводка. Применить для этого рентгенофазовый анализ глинистых минералов - для тонко-дисперсной фракции и изучить состав зерен крупнее 0,1 мм с помощью оптического наблюдения под бинокулярным микроскопом и рентгенофазового анализа;
• изучить состав кернов водно-механических отложений с помощью визуального макроскопического рассмотрения (выделение групп схожих образцов) и оптического изучения пород в шлифах на канадском бальзаме, изучения пород в шайбах с помощью рентгеноспектрального энергодисперсионного микронализа;
• установить закономерность изменения состава отложений по разрезу и по латерали, сравнить с составом осадка из гидроловушек.
В работе использованы материалы, отобранные инженером ИНоЗ СПбГУ А.М. Седовой в ходе экспедиции в марте 2017 г., спелеологами АСА «Лабиринт» в августе 2018 г., и материалы отобранные автором данной работы в ходе экспедиций в январе 2018 г., марте 2019 г. и в марте 2020 г.
В ходе работы исследуемые пещеры были разделены на зоны по микроклиматическим и седиментационным признакам. В холодной привходовой части пещер выделились отложения, формирующиеся из временных водных потоков (1а) и озерные отложения (1в). В теплой части пещер были выделены отложения, формирующиеся из временных (1б) и постоянных (2б) водных потоков, озерные отложения (2а) и отложения коррозионных ниш (3). Кроме этого были отделены отложения гравитационных конусов под карстовыми воронками (2в) и отложения сифонного яруса (4). Водно-механические отложения, отобранные в каждой зоне (кроме зоны 4), после детального описания были распределены по группам (см. глава 3).
Изучение кернов водно-механических отложений и осадков, уловленных во время паводка, дало возможность сравнить их состав и понять насколько значительными для пещерных отложений являются паводковые процессы.
Изучение состава осадка из гидроловушек показала, что в действительности основным направление является перераспределение уже существующих в пещере осадков: с пола пещеры поднимаются и флотируют на поверхности паводковой волны криогенные минералы холодной зоны, небольшое количество глинистых минералов и небольшое количество легких минералов: гипс, ангидрит и кварц. При этом довольно часто отмечается наличие органогенных остатков - хитин насекомых и кусочки древесины. В частях пещеры с высокой гидродинамикой легкие минералы и органогенные остатки могут находится и возле пола. В тех местах пещеры, где на своде выходят красноцветные гипсы, переслаивание гипсов и глинисто-алевритовых пород или доломиты в гидроловушках отмечается повышенное количество осадка, что конечно связанно с остаточно-десквамационными процессами.
Изучение отложений ВМО показало, что действительно существуют определенные закономерности вариаций состава отложений в зависимости от тех зон, где они откладывались. В привходовой части пещер в составе ВМО присутствует кальцит, в некоторых местах отсутствует ангидрит. В большинстве изученных образцов по разрезу условия формирования осадка не менялись кардинально. Наблюдается лишь закономерное чередование слоев, связанное с сезонными изменениями. Но в небольшой части образцов все же наблюдается изменения условий, что требует дополнительного рассмотрения.
С минералогической точки зрения в ВМО основными породообразующими минералами являются доломит, полевой шпат (альбит и микроклин), кварц и гранат (альмандинового состава), мусковит, амфиболы. Соотношение глинистых минералов в разных зонах пещер варьирует. Содержание глинистых минералов в общем увеличивается снизу вверх, где они представлены иллитом, шамозитом и каолинитом. Среди акцессорных отмечаются ильменит, рутил, титанит и гипс. Интересно отметить, что в качестве вторичного минерала очень часто встречается целестин, развивающийся видимо за счет высокоминерализованных межзерновых и поровых вод.
Таким образом, можно заключить, что отложения довольно чувствительно меняют свой состав в пространстве пещер, при этом изменение их состава во времени не существенно.
Автор выражает большую благодарность Седовой А.М. за руководство и поддержку, за проведение экспедиций и помощь в написании работы; спелеологам АСА «Лабиринт»; сотрудникам ресурсных центров «Микроскопии и микрозондового анализа», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Инновационные технологии композитных наноматериалов» и «Геомодель» за помощь в проведении анализов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
