МИНЕРАЛОГИЯ ОТЛОЖЕНИЙ СИСТЕМЫ КУЛОГОРСКИХ ПЕЩЕР (ПИНЕЖСКИЙ РАЙОН, АРХАНГЕЛЬСКАЯ ОБЛАСТЬ)
|
Введение 3
Глава 1. Геологическое строение территории 7
1.1 История развития территории 12
Глава 2. Образцы и инструментальные методы исследования 14
2.1 Места отбора проб 14
2.2 Инструментальные методы исследования 16
Глава 3. Минералого-петрографическая характеристика отложений Кулогорских пещер 19
3.1 Минералого-петрографическая характеристика современных нелитифицированных отложений (группа А) 19
3.2 Минералого-петрографическая характеристика литифицированных отложений (группа В) 26
3.3 Вариации состава доломита из цемента в отложениях групп А и В 33
3.4 Минералого-петрографическая характеристика пород, залечивающих палеокарст (группа C) 35
3.5 Минералого-петрографическая характеристика глинистых пород вмещающей толщи (группа D) 39
Глава 4. Химический состав пород вмещающей толщи и отложений в пещерах 45
Заключение 47
Литература: 49
Приложение 51
Глава 1. Геологическое строение территории 7
1.1 История развития территории 12
Глава 2. Образцы и инструментальные методы исследования 14
2.1 Места отбора проб 14
2.2 Инструментальные методы исследования 16
Глава 3. Минералого-петрографическая характеристика отложений Кулогорских пещер 19
3.1 Минералого-петрографическая характеристика современных нелитифицированных отложений (группа А) 19
3.2 Минералого-петрографическая характеристика литифицированных отложений (группа В) 26
3.3 Вариации состава доломита из цемента в отложениях групп А и В 33
3.4 Минералого-петрографическая характеристика пород, залечивающих палеокарст (группа C) 35
3.5 Минералого-петрографическая характеристика глинистых пород вмещающей толщи (группа D) 39
Глава 4. Химический состав пород вмещающей толщи и отложений в пещерах 45
Заключение 47
Литература: 49
Приложение 51
Кулогорские пещеры находятся 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, но 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 В.Н. и др., 2001).
Кулогорские пещеры имеют статус уникального геологического объекта и являются геологическими памятниками регионального значения (Шаврина Е.В., 2014; https://map.mineral.ru/). Они относятся к пещерам лабиринтного типа с разветвленной сетью ходов и являются паводковыми (Малков В.Н. и др,. 2001). Пещера Кулогорская- Троя уникальна тем, что имеет протяженность 17650 м и занимает второе место по протяженности среди гипсовых пещер в Европейской части нашего континента и четвертое место среди протяженных пещер России (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 В.Н. 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.) 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-алевритовой породы с гипсовым цементом в пещ. Конституционная. На данный момент они не датированы.
По данным Малкова и др. (2001) вторичные отложения Кулогорских пещер были охарактеризованы следующим образом: 1) остаточные отложения; 2) водно-механические отложения (ВМО), включающие озерные, аллювиальные и аллохтонные; 3) гравитационные отложения; 4) хемогенные - редко встречающиеся образования в виде натечных кор, сталактитов и др.
Остаточные отложения - это глинистый и карбонатный материал (остаток от растворения вмещающих пород), который смешивается с другими водно-механическими озерными отложениями и переоткладывается.
Озерные отложения по данным Малкова и др. (2001) представлены глинами, суглинками, алевритами. Основным источником которых, являются паводковые воды, но также в этих отложениях присутствует остаточный глинисто-алевритовый материал и мелкие обломки вмещающих пород, упавшие со свода пещеры. Однако по данным Седовой А.М. и Франца Н.А. (2017) паводковые воды не несут существенной доли материала с собой, приходя в пещеру в виде чистых талых паводковых вод. На верхних ярусах в других Пинежских пещерах (Спелеоморье, Пехоровский Провал) обнаружены ленточные озерные глины (Малков В.Н. и др., 2001).
Аллювиальные отложения формируются при внедрении в спелеомассив весенних паводковых вод, заполняющих магистральные туннели практически до сводов и образующие временные водотоки со скоростями до первых метров в секунду. Эти водотоки переносят обломочный материал, поступающий в пещеру из верхней части разреза, на значительные расстояния, формируя отложения в виде песков, алевритов и карбонатного щебня (Малков В.Н. и др., 2001).
Аллохтонные отложения представлены конусами выноса и осыпями под органными трубами. По данным Седовой А.М. и Франца Н.А. (2017) они сложены материалом поверхностных четвертичных отложений: флювиогляциальными песками, суглинками и супесями, перемешанными с подстилающими их породами - в основном с доломитовым щебнем.
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 В.Н. и др., 2001). Все типы отложений, залегающие в Кулогорской системе, находятся в зоне сезонных колебаний уровней подземных вод, поэтому все ВМО, в том числе и древние, перекрываются современными отложениями.
Следующим этапом в изучении геологии Кулогорского спелеомассива стали подробные исследования минералогического состава всего комплекса вторичных отложений. Эти исследования проводятся на базе АССА «Лабиринт» силами сотрудников каф. минералогии 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. В январе 2018 г. автор вместе с Седовой А.М. принимал участие в экспедиции в Кулогорские пещеры, на базе АССА «Лабиринт». Нами были отобраны часть образцов для этой работы.
Работа посвящена изучению минералогии отложений наиболее крупных пещер Кулогорского массива. Актуальность этой темы заключается в том, что минералогия отложений на сегодняшний день, изучена не очень хорошо. Ранее считалось, что отложения пещер сложены алевритисто-глинистым материалом (Малков и др., 2001, Затульская Т.Ю. и др., 2009). В этих отложениях Седовой А.М. изучалось содержание органического и неорганического углерода (2017) и была обнаружена зависимость содержания Сорг и углерода карбонатов от степени литификации пород; Седовой А.М. и Францем. Н.А. (2017) петрографическими методами изучался минеральный состав отложений и на основе этих данных были выделены генетические группы пород. В данной работе продолжается изучение минералогического состава отложений пещер. Подробное изучение отложений может помочь определить историю формирования пещер, а определение источников сноса может помочь в реконструкции гидрологического режима пещер за все время их существования.
Главная цель этой работы - определить минералогический состав водно-механических отложений наиболее крупных пещер Кулогорского массива.
Для достижения этой цели было поставлено несколько задач: провести рентгенофазовый анализ для проб; с помощью электронной микроскопии уточнить минералогический состав пород; провести рентгенофазовый анализ глин в пробах; с помощью ацидиметрического метода и метода Тюрина определить содержание органического и карбонатного углерода; с помощью рентген-флуоресцентного метода определить валовый состав проб.
В работе использованы материалы, отобранные аспирантом ИНоЗ СПбГУ. А.М. Седовой в ходе экспедиции в марте 2017г., и материалы отобранные автором данной работы в ходе экспедиции в январе 2018г.
Рис. 1. Физическая карта Архангельской области
Рис. 2. Схема спелеомассивов. Зеленым закрашен Кулогорский массив, зеленым контуром выделен Голубинский массив. По данным Малкова В.Н. и др., (2001) с дополнениями автора.
Кулогорские пещеры имеют статус уникального геологического объекта и являются геологическими памятниками регионального значения (Шаврина Е.В., 2014; https://map.mineral.ru/). Они относятся к пещерам лабиринтного типа с разветвленной сетью ходов и являются паводковыми (Малков В.Н. и др,. 2001). Пещера Кулогорская- Троя уникальна тем, что имеет протяженность 17650 м и занимает второе место по протяженности среди гипсовых пещер в Европейской части нашего континента и четвертое место среди протяженных пещер России (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 В.Н. 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.) 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-алевритовой породы с гипсовым цементом в пещ. Конституционная. На данный момент они не датированы.
По данным Малкова и др. (2001) вторичные отложения Кулогорских пещер были охарактеризованы следующим образом: 1) остаточные отложения; 2) водно-механические отложения (ВМО), включающие озерные, аллювиальные и аллохтонные; 3) гравитационные отложения; 4) хемогенные - редко встречающиеся образования в виде натечных кор, сталактитов и др.
Остаточные отложения - это глинистый и карбонатный материал (остаток от растворения вмещающих пород), который смешивается с другими водно-механическими озерными отложениями и переоткладывается.
Озерные отложения по данным Малкова и др. (2001) представлены глинами, суглинками, алевритами. Основным источником которых, являются паводковые воды, но также в этих отложениях присутствует остаточный глинисто-алевритовый материал и мелкие обломки вмещающих пород, упавшие со свода пещеры. Однако по данным Седовой А.М. и Франца Н.А. (2017) паводковые воды не несут существенной доли материала с собой, приходя в пещеру в виде чистых талых паводковых вод. На верхних ярусах в других Пинежских пещерах (Спелеоморье, Пехоровский Провал) обнаружены ленточные озерные глины (Малков В.Н. и др., 2001).
Аллювиальные отложения формируются при внедрении в спелеомассив весенних паводковых вод, заполняющих магистральные туннели практически до сводов и образующие временные водотоки со скоростями до первых метров в секунду. Эти водотоки переносят обломочный материал, поступающий в пещеру из верхней части разреза, на значительные расстояния, формируя отложения в виде песков, алевритов и карбонатного щебня (Малков В.Н. и др., 2001).
Аллохтонные отложения представлены конусами выноса и осыпями под органными трубами. По данным Седовой А.М. и Франца Н.А. (2017) они сложены материалом поверхностных четвертичных отложений: флювиогляциальными песками, суглинками и супесями, перемешанными с подстилающими их породами - в основном с доломитовым щебнем.
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 В.Н. и др., 2001). Все типы отложений, залегающие в Кулогорской системе, находятся в зоне сезонных колебаний уровней подземных вод, поэтому все ВМО, в том числе и древние, перекрываются современными отложениями.
Следующим этапом в изучении геологии Кулогорского спелеомассива стали подробные исследования минералогического состава всего комплекса вторичных отложений. Эти исследования проводятся на базе АССА «Лабиринт» силами сотрудников каф. минералогии 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. В январе 2018 г. автор вместе с Седовой А.М. принимал участие в экспедиции в Кулогорские пещеры, на базе АССА «Лабиринт». Нами были отобраны часть образцов для этой работы.
Работа посвящена изучению минералогии отложений наиболее крупных пещер Кулогорского массива. Актуальность этой темы заключается в том, что минералогия отложений на сегодняшний день, изучена не очень хорошо. Ранее считалось, что отложения пещер сложены алевритисто-глинистым материалом (Малков и др., 2001, Затульская Т.Ю. и др., 2009). В этих отложениях Седовой А.М. изучалось содержание органического и неорганического углерода (2017) и была обнаружена зависимость содержания Сорг и углерода карбонатов от степени литификации пород; Седовой А.М. и Францем. Н.А. (2017) петрографическими методами изучался минеральный состав отложений и на основе этих данных были выделены генетические группы пород. В данной работе продолжается изучение минералогического состава отложений пещер. Подробное изучение отложений может помочь определить историю формирования пещер, а определение источников сноса может помочь в реконструкции гидрологического режима пещер за все время их существования.
Главная цель этой работы - определить минералогический состав водно-механических отложений наиболее крупных пещер Кулогорского массива.
Для достижения этой цели было поставлено несколько задач: провести рентгенофазовый анализ для проб; с помощью электронной микроскопии уточнить минералогический состав пород; провести рентгенофазовый анализ глин в пробах; с помощью ацидиметрического метода и метода Тюрина определить содержание органического и карбонатного углерода; с помощью рентген-флуоресцентного метода определить валовый состав проб.
В работе использованы материалы, отобранные аспирантом ИНоЗ СПбГУ. А.М. Седовой в ходе экспедиции в марте 2017г., и материалы отобранные автором данной работы в ходе экспедиции в январе 2018г.
Рис. 1. Физическая карта Архангельской области
Рис. 2. Схема спелеомассивов. Зеленым закрашен Кулогорский массив, зеленым контуром выделен Голубинский массив. По данным Малкова В.Н. и др., (2001) с дополнениями автора.
В работе были рассмотрены водно-механические отложения наиболее крупных пещер Кулогорского массива (Кулогорская-Троя и Водная). В ходе работы были изучены 12 образцов из разных частей пещер, проведен их рентгенофазовый анализ. Для 8 проб проведено определение содержание органического и карбонатного углерода. Для 9 образцов были изготовлены полированные шайбы и с помощью электронной микроскопии изучен цемент пород и минеральный состав обломочной части. Для минералов обломочной части и цемента были рассчитаны кристаллохимические формулы. Также были составлены минералого-петрографические описания каждой группы. В результате всех исследований были выделены минеральные ассоциации в каждой группе пород.
На основе описания можно сделать вывод, что группы пород несколько отличаются друг от друга, хотя есть много общего. Так, во всех группах пород в обломочной части содержатся кварц разной степени окатанности, неокатанный плагиоклаз ряда альбит- олигоклаз и К-Ыа-полевой шпат разной степени окатанности. Составы полевых шпатов во всех группах (кроме пород залечивающих палеокарст) совпадают, что может означать один источник этих минералов. Только в современных и литифицированных отложениях встречаются целестин и гипс, вероятно потому что это наиболее молодые отложения и в них еще сохранились обломки гипса вмещающих пород и хорошо сохранившиеся обломки кристаллов из целестиновых друз, встречающихся во вмещающей толще. В литифицированных отложениях содержится органогенный пирит, оксиды и гидроксиды железа и марганца и оксиды алюминия, что свидетельствует о процессах вторичного изменения минералов. Только в породах вмещающей толщи встречен гиперстен и флюорит, вероятно во время образования этих отложений был привнос вещества из магматических пород, а флюорит мог образоваться во вмещающих доломитах. Титаномагнетит присутствует во всех группах пород, кроме литифицированных отложений (группа В). Также только в современных осадках найдены хромшпинелиды (минералы ультраосновных магматических пород) и андрадит (минерал скарнов), что может говорить о разных источниках обломков. Цемент в современных нелитифицированных, более древних литифицированных отложений и во вмещающей толще в основном карбонатно-глинистый, лишь в отложениях, залечивающих палеокарст встречен пойкилитовый гипсовый цемент.
На основе минеральной ассоциации можно сделать предположение, что для разных групп пород были разные источники сноса обломочного материала. В современных нелитифицированных, литифицированных породах и породах вмещающей толщи присутствуют минералы скарнов (гроссуляр, андрадит, гиперстен, флогопит), можно предположить, что это был один источник сноса. Минеральный состав обломочной части группы пород, залечивающих палеокарст, заметно отличается от минерального состава других групп. Можно предположить, что источник обломочного материала для этой группы был несколько иной.
Изучив характерный зональный доломитовый цемент и его химический состав, можно предположить, что в современных нелитифицированных и более древних литифицированных отложениях было как минимум две стадии образования: 1-накопление обломочного материала с кальцитовым цементом; 2 - метасоматическое преобразование кальцита в доломит.
Благодарности:
Выражаю свою благодарность асп. Седовой А.М за руководство, помощь в написании работы и проведении экспедиции; сотрудникам ресурсного центра «Микроскопии и микрозондового анализа», в частности Янсон Светлане Юрьевне за помощь в проведении анализов; доценту кафедры агрохимии биологического факультета СПбГУ Надпорожской Марине Алексеевне за помощь в проведении исследований; ассистенту кафедры минералогии ИНоЗ СПбГУ Верещагину О.С. за консультации; сотрудникам ресурсного центра «Рентгенодифракционные методы исследования».
На основе описания можно сделать вывод, что группы пород несколько отличаются друг от друга, хотя есть много общего. Так, во всех группах пород в обломочной части содержатся кварц разной степени окатанности, неокатанный плагиоклаз ряда альбит- олигоклаз и К-Ыа-полевой шпат разной степени окатанности. Составы полевых шпатов во всех группах (кроме пород залечивающих палеокарст) совпадают, что может означать один источник этих минералов. Только в современных и литифицированных отложениях встречаются целестин и гипс, вероятно потому что это наиболее молодые отложения и в них еще сохранились обломки гипса вмещающих пород и хорошо сохранившиеся обломки кристаллов из целестиновых друз, встречающихся во вмещающей толще. В литифицированных отложениях содержится органогенный пирит, оксиды и гидроксиды железа и марганца и оксиды алюминия, что свидетельствует о процессах вторичного изменения минералов. Только в породах вмещающей толщи встречен гиперстен и флюорит, вероятно во время образования этих отложений был привнос вещества из магматических пород, а флюорит мог образоваться во вмещающих доломитах. Титаномагнетит присутствует во всех группах пород, кроме литифицированных отложений (группа В). Также только в современных осадках найдены хромшпинелиды (минералы ультраосновных магматических пород) и андрадит (минерал скарнов), что может говорить о разных источниках обломков. Цемент в современных нелитифицированных, более древних литифицированных отложений и во вмещающей толще в основном карбонатно-глинистый, лишь в отложениях, залечивающих палеокарст встречен пойкилитовый гипсовый цемент.
На основе минеральной ассоциации можно сделать предположение, что для разных групп пород были разные источники сноса обломочного материала. В современных нелитифицированных, литифицированных породах и породах вмещающей толщи присутствуют минералы скарнов (гроссуляр, андрадит, гиперстен, флогопит), можно предположить, что это был один источник сноса. Минеральный состав обломочной части группы пород, залечивающих палеокарст, заметно отличается от минерального состава других групп. Можно предположить, что источник обломочного материала для этой группы был несколько иной.
Изучив характерный зональный доломитовый цемент и его химический состав, можно предположить, что в современных нелитифицированных и более древних литифицированных отложениях было как минимум две стадии образования: 1-накопление обломочного материала с кальцитовым цементом; 2 - метасоматическое преобразование кальцита в доломит.
Благодарности:
Выражаю свою благодарность асп. Седовой А.М за руководство, помощь в написании работы и проведении экспедиции; сотрудникам ресурсного центра «Микроскопии и микрозондового анализа», в частности Янсон Светлане Юрьевне за помощь в проведении анализов; доценту кафедры агрохимии биологического факультета СПбГУ Надпорожской Марине Алексеевне за помощь в проведении исследований; ассистенту кафедры минералогии ИНоЗ СПбГУ Верещагину О.С. за консультации; сотрудникам ресурсного центра «Рентгенодифракционные методы исследования».
Подобные работы
- ФОРМИРОВАНИЕ КАРБОНАТНО-ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В КУЛОГОРСКИХ ПЕЩЕРАХ (АРХАНГЕЛЬСКАЯ ОБЛАСТЬ): МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
Магистерская диссертация, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4865 р. Год сдачи: 2020