Магматогенность и карст

От составителя.

В далёком 1971 году молодая спелеосекция ВИВ (ещё и года не прошло с момента её возникновения) при Пермском городском клубе туристов "Компас", проводила свою первую топосъёмочную экстедицию в пещеру "Кизеловская". Среди дюжины её участников наличиствовало четыре студента геологического факультета ПГУ (члены студенческого "Карстового отряда", созданного Г. Панариной), в том числе Надежда Овчинникова и Володя Смирнов.

Отношения между Карстовым отрядом и городской спелеосекщией были обычными отношениями между любителями и профи. Друг друга ни в свисток не ставят, да ещё молодое вино и у тех, и у других в заднице играет.  Потом студенты разъехались по распределению... Нет, отдельные слухи долетели. Но слухи  - они и есть слухи...

Прошло четверть века. Я переехал на новую квартиру. И тут оказалось, что неожиданно стал соседом Надёжи Разумовой (Овчинниковой), давно сменившей фамилию, и её законного мужа... Володи Смирнова. В суматохе воспоминаний Надежда вдруг предложила Володе: "Расскажи, что ты в наших пещерах накопал".  Так я услышал о возможном участии магматогенных процесов в образовании подземных полостей. Удивительным было то, что многие несоответствия в морфологии полостей замечались нами  и раньше, и для объяснения их вообще-то было достаточно знаний выпускника-хорошиста средней школы... Но вот для таких неожиданных выводов понадобился  25-летний опыт геолога и незамутненность сознания устоявшимися гидрогеологическими канонами. Впрочем, о том, как он дошёл до "жизни такой", Володя рассказывает сам  в разделе "Наши соавторы."

Я, к тому моменту, выполнял поручение съезда АСУ по организации выпуска журналов АСУ, поэтому было логичным появление на их страницах статей о  роли магматогенных процесов в образовании подземных полостей (см. Библиотека - Книжная полка АСУ – Журналы АСУ - "Магматогенные породы в пещере «Два уступа»" в №1 и "Откуда берутся дети" в №2 стр.25-32).

Ниже Вам предлагается новая статья В.Смирнова, а на Форуме открыта тема для обсуждения: "Магматогенность и карст".    Автор готов ответить на все Ваши вопросы , эамечания и пожелания.

(ЕСС)

Глинистые образования из пещеры

Расикский Лабиринт

В.А. Смирнов, г. Пермь

В статье приводятся результаты комплексного изучения пробы, взятой из глинистых отложений пещеры «Расикский лабиринт». На основании изучения химического и минерального состава, а также петрографических особенностей исследуемого материала сделан вывод о вулканогенном происхождении исследуемого материала непосредственно в полости пещеры.

Пещера Расикский Лабиринт расположена на западном склоне Среднего Урала, в пределах Кизеловского каменноугольного бассейна, в 2.5 км западнее г. Кизел.

В районе пещеры закартированы известняки самарского яруса пермской системы.

Пещера относится к разряду вскрытых: полость была обнаружена при прокладке железнодорожного полотна, до этого она не имела связи с поверхностью.

В морфологическом плане большая часть пещеры представляет собой лабиринт низких разноориентированных ходов со следами обрушения кровли. Резко отличается от них линейная в плане галерея, идущая на С-СЗ от входа: она представляет собой вертикальную щель с куполообразным потолком. Суммарная длина пещеры, по С.В. Валуйскому [1] , составляет 135 м.

Отложения коричневой глины встречены в северной части пещерного лабиринта. Подобные образования принято называть остаточными элювиальными отложениями, формирующимися за счёт накопления и переотложения нерастворимого остатка вмещающих пород [2]. Проведённые исследования заставляют взглянуть на их происхождение под иным углом.

С глубины 30-50 см взята минералогическая проба весом 5.0 кг и ряд образцов. Комплексное изучение материала пробы (рентгенофазовый, термический и микрозондовый анализы, а также петрографическое изучение шлифов) позволило выявить ряд интересных особенностей глинистых отложений данной пещеры.

Минералогические исследования

В Институте геологии и геохимии РАН им. Заварицкого (г. Екатеринбург) выполнены рентгенофазовый анализ (дифрактометр XRD-7000, Shimadzu) и термоаналитические исследования (дериватограф Diamond TG/DTA, Perkin Elmer) пробы № 7253. По результатам анализов, проба состоит из монтмориллонита (до 55%), кварца (до 10%), гидрослюды (до 10 %), хлорита (5%), калиевого полевого шпата (5 %), плагиоклаза (4 %), гетита (5-6%), кальцита (5%). Подобное сочетание минералов свойственно, за некоторыми исключениями, продуктам выветривания пород основного состава; наличие гидрослюды и хлорита указывает также на имевшие место гидролизные преобразования.

Минералогическая проба № 7253 была обработана и изучена в минералогической лаборатории ФГУП «Геокарта-Пермь». В составе тяжёлой фракции минералогической пробы преобладает гётит, развитый по пириту (85 %) и по марказиту (14 %). Присутствуют редкие зёрна гематита, гидроокислов марганца, монацита, пирита, рутила, карбонат-фосфатных обломков, хлорита, циркона, магнетита, магнитных гидроокислов железа. Отмечены единичные зёрна карбоната, моноклинного пироксена, малахита. Лёгкая фракция представлена карбонатом, фосфатными обломками, гидроокислами марганца и омарганцованнымии обломками пород, глинистыми образованиями по флогопиту, единичными зёрнами кварца.

Геохимические исследования

Изучение химического состава отложений выполнено на сканирующем электронном микроскопе JSM 6390LV с ЭДС-спектрометром кафедры минералогии и петрографии Пермского университета (аналитик Казымов К.П.). Выполнены три замера по обломкам аргиллитоподобной породы (шлиф 7253-1), результаты приведены в таблице 1.

Обращает внимание аномально высокая концентрация оксида иттрия в двух точках измерения из трёх, сделанных по обломкам пород. Кроме того, были выполнены два замера по мелкозернистой связующей массе породы; результаты их некондиционны, но концентрации иттрия в обоих случаях также аномально высоки.

О повышенном содержании в пещерных глинах ряда микроэлементов, в том числе иттрия, упоминали В.Н. Дублянский, А.А. Ломаев [3], но в нашем случае речь идёт об аномально высоких содержаниях иттрия (до 2200 г/т при кларковом содержании 26 г/т), которые трудно объяснить процессом сорбции микроэлементов глинистым материалом.

По геохимическим признакам исследуемая горная порода близка к песчаным туфам и ксенотуфам алмазоносных объектов Волынка и Южная Рассольная [4].

Петрографические исследования

Из материала пробы были изготовлены 4 полированных образца и 3 прозрачных шлифа, сделаны 33 микрофотографии шлифов. Изучение их показало, что исследуемые отложения резко отличаются от рыхлых, тонкодисперсных осадочных горных пород, достаточно подробно изученных в пещерах других регионов [2]. Следует отметить, что ранее, ни в России, ни за рубежом прозрачные шлифы из глинистых отложений пещер не изготовлялись.

Изучение полированных образцов и шлифов позволило выявить важную особенность отложений – их обломочное строение. Наиболее наглядно эта особенность внутреннего строения породы проявлена в полированных образцах (рис. 1).

Рис. 1а. Полированный образец  7253-1

Исследуемая горная порода (рис. 2, 3, 4, 5) имеет брекчиевую, литокластическую текстуру [6]. Она сложена преимущественно крупными, до 5 мм, остроугольными обломками аргиллитоподобного глинистого материала красновато-бурого цвета (предположительно, являющегося нацело изменённым стеклом); нередко в скрещенных николях наблюдается их волнистое погасание (рис. 2). Присутствуют также редкие, крупные обломки перекристаллизованного известняка. Рудный минерал (гётит) слагает обломки до 1.3 мм, не несущие следов окатанности (рис. 3), тонкую вкрапленность и дендритовидные скопления (рис. 4). Цементирующая масса, количество которой не превышает 15 %, состоит из мелких (0.1-0.01 мм) зёрен перечисленных пород.

Рис. 2а. Фрагмент шлифа 7253-3, сн. 1527, ник. Х

Рис. 3а. Фрагмент шлифа 7253-3, сн. 1519, ник. II

Рис. 4а. Фрагмент шлифа 7253-3, сн.  530, ник. II

В качестве примера приведём описание одного из фрагментов шлифа 7253-3. На снимке (рис. 5) – три крупных обломка глинистого материала (аргиллизированных силикатных пород) сцементированы брекчией, состоящей из мелких обломков пород того же состава.

Рис. 3а. Фрагмент шлифа 7253-3, сн. 1519, ник. II.jpg

В верхней части снимка – обломок (1.3×0.8 мм) однородной глинистой породы красновато-коричневого цвета, с редкими, мелкими зёрнами кварца. Обломок имеет резкие очертания.

Ниже – обломок (0.5×1.0 мм) гидрослюдистого материала жёлтого цвета, флюидальной структуры (предположительно, изменённое стекло). Наблюдается погасание в скрещенных николях. Верхний контакт обломка с цементом резкий, нижний – постепенный, при этом секущий флюидальность.

В правой нижней части снимка – остроугольный обломок (0.8×1,2 мм) глинистой породы красновато-коричневого цвета с аномально высоким (до 20-25 %) содержанием рудного минерала, группирующегося в дендритовидные сростки. Наиболее крупные, до 0.4×0.2 мм, выделения рудного минерала отмечаются в цементе брекчии.

Вывод о составе породы: брекчия пород предположительно основного состава, глинизированная.

Текстура горной породы не имеет ничего общего ни с осадочными горными породами, ни с тектоническими брекчиями. На основании изучения прозрачных шлифов и анализа косвенных признаков высказано предположение о принадлежности исследуемых образований к вулканогенным породам основного состава. Ввиду глубоких и неоднократно проявленных вторичных изменений более детально реконструировать состав исходной породы не представляется возможным.

Автор, проработавший 24 года на вулканитах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса, сталкивался с подобными, но значительно менее изменёнными горными породами.

Предполагаемый механизм формирования элювиальных глин

и вмещающих их полостей

Результаты проведённых исследований не противоречат представлениям автора о возможности магматогенного происхождения полостей в карбонатных породах [7, 8]. Исходя из термодинамических условий существования карбоната кальция, любая магма, имеющая тем­пературу выше девятисот градусов, контактируя с известняками в близповерхностных условиях, должна вызывать термическую диссоциацию карбоната кальция. Образующийся при этом раскалённый газ (610 м³ СО₂ из   1 м³   СаСО₃) способен распылять магму и формировать в известняках полости сложной конфигурации. Система может функционировать в том случае, если она открыта – газы (а с ними и оксид кальция) должны выбрасываться по трещинам на поверхность: низкое давление – условие диссоциации. После прекращения выделения углекислоты застывшие мелкие обломки лавы и карбонатных пород, оседая на дно вы­работанных в карбонатах камер, формируют залежи туфов (туффизитов). В верхних частях камер образуются полости, которые принято называть карстовыми пещерами. Экзогенными процессами пирокластический материал превращается в обогащенную железом глину.

Предложенная модель выглядит достаточно фантастично. Однако подобная ситуация описана Г. Макдональдом [5]: «Подсчитано, что во время крупного извержения Везувия в 1906 году вес газа, который вырывался в течение многих часов, превысил вес излившейся лавы. … Углекислый газ также может частично или целиком образоваться при прокаливании известняков магматическим теплом». Даже абстрагируясь от вышеизложенной магматогенной гипотезы формирования пещер, можно быть уверенным, что известняки в непосредственной близости от вулкана Везувий весьма перспективны на обнаружение крупных полостей. Это касается и других вулканов, расположенных среди карбонатных пород.

Среди пещер, без сомнения, преобладают полости, сформированные водой. Тем не менее, пристального внимания заслуживают полости своеобразной морфологии, называемые спелеологами «древним карстом» (их также относят к проявлениям глубинного карста, гидротермокарста и т. д.). Представления о механизмах формирования этих пещер содержатся в работах П.Босака, А.В.Климчука, Д.Форда и др. исследователей. По ряду признаков, именно полости «древнего карста» могли быть сформированы магматогенным материалом.

В ы в о д ы

1. Исследуемая горная порода сложена преимущественно монтмориллонитом - типичным продуктом выветривания вулканогенных пород основного состава.

2. Концентрация иттрия столь высокого уровня уникальна для глинистых отложений пещер и ранее в них не отмечалась.

3. Процессы вторичных изменений наложены на грубообломочную высокожелезистую силикатную породу литокластической текстуры, типичной для туфов основного состава. Данная порода не носит следов водного переотложения или гидротермального переноса вещества.

4. Рассмотрен механизм формирования элювиальных глинистых отложений пещер в результате взаимодействия с известняками магмы основного состава.

Список литературы

1. Валуйский С.В. Пещеры Пермской области. Екатеринбург, 2000.

2. Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н. Карстоведение. Ч.1. Общее карстоведение: Учеб.пособие / Перм. ун-т. – Пермь, 2004.

3. Дублянский В.Н., Ломаев А.А. Карстовые пещеры Украины. Киев: Наукова думка, 1980.

4. Лукъянова Л.И., Жуков В.В., Кириллов В.А. Субвулканические эксплозивные породы Урала – возможные коренные источники алмазных россыпей // Региональная геология и металлогения / ВСЕГЕИ, С-Петербург, 2000. № 12.

5. Макдональд Г. Вулканы. М.: Мир, 1975.

6. Смирнов В.А., Разумова Н.П. О взаимодействии магмы с карбонатными породами // Пещеры. Межвузовский сб. научных трудов. / Перм. ун-т. Пермь, 2004.

7. Смирнов В.А. Глинистые образования в карбонатных пещерах Урала //Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. Выпуск № 13. Петропавловск-Камчатский, 2009.

Таблица 1

Химический состав глинистых обломков в элювиальных отложениях

пещеры Расик, мас. %