Пещерные криогенные карбонаты

1.

Почему они так редки,
чем интересны
и как их искать
Юрий Дублянский
Инсбрукский университет, Австрия
2016

2.

Пещерные криогенные
карбонаты
(criogenic cave carbonates = ССС)
Размеры:
от нескольких мм
до нескольких см
Фото: О. Кадебская

3.

Многолетняя мерзлота
Вспомним, что такое мерзлота?
Это зона пород в которой температура ниже 0оС
и поэтому отсутствует жидкая вода. Над ней
может располагаться «активный слой» - зона в
которой почва и порода могут протаивать в
тёплое время года.
В мерзлоте связаны огромные количества
органического материала, который, разлагаясь
при протаивании, выделяет в атмосферу
углекислый газ и метан (парниковые газы).

4.

25% поверхности Земли, свободной от льда
Источник: NASA

5.

Условия, схожие с
современными
Современные
условия
Значительно
холоднее
(=больше
мерзлоты)
А как обстояло дело в геологическом прошлом?
За последние 450 тыс. лет было 5 относительно коротких периодов, когда температура
(и, соответственно, распространение мерзлоты) были схожи с современными.
Большую часть времени, было значительно холоднее
и мерзлота была гораздо шире распространена.

6.

Z.Deretsky, National Science Foundation
Почему важно знать как менялась распространение мерзлоты в геологическом прошлом?
Прежде всего, из за её влияния на климат. Таяние мерзлоты при глобальном потеплении
приводит к высвобождению парниковых газов (углекислота, метан), что вызывает ещё
большее потепление (положительная обратная связь).

7.

Как узнать, что на данной территории в
прошлом была мерзлота?
Существуют индикаторы: полигональные
структуры почв (фото слева), ледяные
«клинья» и их заполнитель (фото вверху) и др.
Но есть и две серьёзные проблемы:
(1) Эти структуры находятся на или вблизи
поверхности и поэтому легко разрушаются.
(2) Их сложно датировать.

8.

«Обычные» спелеотемы
(сталагмиты, натёки) могут служить
«негативным» индикатором
мерзлоты: для их образования
нужна жидкая вода, поэтому, когда
они образуются, мерзлота
отсутствует.

9.

«Обычные» спелеотемы не образуются в условиях мерзлоты. Поэтому,
перерывы в образовании спелеотем указывают на возможное присутствие
мерзлоты.
SCIENCE – April 2013

10.

Атмосфера:
СО2 = 400 ppm
Вспомним, как
образуются «обычные»
спелеотемы.
Основные факторы,
контролирующие их
образование это: (1)
Наличие воды,
просачивающейся сквозь
почву и породу, и
(2) Вариабельные
содержания СО2 на пути
просачивания
(схема справа).
Почва:
СО2 >> 400,000 ppm
Пещера:
СО2 < 1000 ppm

11.

Пещерные криогенные карбонаты = ССС
Механизм образовани криогенного кальцита принципиально другой.
Это механизм вымораживания.
Вода
HCO3Са2+
HCO3-
Са2+
HCO3-
Са2+
Лёд
Са2+
HCO3-
HCO3-
HCO3Са2+
Са2+

12.

Пещерные криогенные карбонаты = ССС
Лёд всегда содержит меньше растворенных веществ, чем вода. По мере увеличения
количества льда, конценртация растворённого кальцита в остаточном растворе повышается
...
Вода
HCO3-
HCO3-
Са2+
Са2+
HCO3-
Лёд
Са2+
Са2+
HCO3-
HCO3-
Са2+
Са2+ HCO3-

13.

Пещерные криогенные карбонаты = ССС
...
До тех пор, пока раствор не становится пересыщенным и из него кристаллизуется кальцит.
(Строго говоря, выпадать из раствора может не только кальцит, но и другие минералы – гипс,
барит, кварц и т.п.)
Вода
HCO3-
HCO3-
HCO3-Са HCO 3
Са2+
2+
Са2+ HCO3-
СаСО3
Лёд

14.

Как это происходит в природе
Стадия 1: Гляциальные условия.
Пещера находится внутри зоны
мерзлоты. Жидкая вода отсутствует,
пещера неактивна, натёки не
образуются.
Zak et al. (2012)

15.

Как это происходит в природе
Стадия 2: Потепление. Активный
слой (зона сезонного протаивания)
достигает пещеры. Вода затекает
внутрь и замерзает. Лёд может
заполнить пещеру целиком. ССС
образуются в озерцах на поверхности
льда.
Zak et al. (2012)

16.

Как это происходит в природе
Стадия 3: Межгляциальная. Лёд
полностью растаял. В процессе
таяния, ССС плавно опустились на
пол пещеры. В пещере могут
образоваться новые натёки.
• Такие циклы могут повторяться
в пещере многократно,
поэтому ССС в данной пещере
могут иметь различный
возраст (см. ниже)!
Zak et al. (2012)

17.

Как искать CCC
Искать нужно подальше от входа в пещеру (там где не может быть
сезонных колебаний температуры и накоплений льда).
Скопления кристаллов, сростков, сферолитов (размером от мм до см), плюс (иногда) порошковатые
массы, приуроченные к ориентированным вверх поверхностям: пол, поверхности глыб, полки.
Находятся непосредственно на поверхности, но иногда и в глине. В большинстве случаев не
сцементированы.
ССС не покрывают весь пол, а встречаются пятнами, размером до нескольких квадратных метров.
Пятна иногда имеют светлую окраску (заметны на более тёмной глине).
Отбор ССС в пещере Дивья (Северный Урал)

18.

CCC в пещере Российская (Средний Урал)
Фото: О. Кадебская
10 mm
Зал Великан (фото слева).
Ситуация не совсем
обычная, так как
сферолиты ССС (два фото
внизу) были найдены не
на поверхности, а внутри
глинистых отложений.
Фото: О. Кадебская

19.

Медово-желтые
сферолиты, сросшиеся
в цепочки. Диаметр
сферолитов 3-5 мм.
Найдены в самом
верхнем слое и на
поверхности глины в
зале Радужный.
CCC в пещере Шульган-Таш (Башкирия)

20.

CCC в пещере Водораздельая (Западный Саян)
Светлое пятно, площадью
ок. 2 м2 на полу пещеры
(фото слева).
ССС различной морфологии
отобранные из этого пятна
(фото внизу).

21.

Светлые порошковатые отложения на
ориентированной вверх поверхности
камня (фото слева).
Светлоокрашенное пятно ССС на полу
галереи (фото внизу).

22.

В той же галерее, где были найдены ССС,
находится «кладбище сталагмитов». Старые
сталагмиты (тёмные) образовались 130-115
тыс. лет назад. Они были поломаны (видимо,
при заполнении пещеры льдом) ок. 37 тыс.
лет назад. Около 7 тыс. лет назад начал
расти новый натёк (белый цвет),
сцементировавший обломки.

23.

Диагностика CCC
Внешний вид
Индивидуальные зёрна, кристаллы, сферолиты, их сростки, с очень
вариабельной, «странной» морфологией. Размеры от <1 мм до >5 см.
Сферы и полусферы с радиальной или концентрической текстурой, сложные
срастания, расщеплённые кристаллы, корочки, и т.п.
Как правило, не прикреплены к субстрату.

24.

CCC из пещеры Российская
(Средний Урал)
Возраст от 13 до 700 тыс. лет
Масштаб = 10 мм

25.

Диагностика CCC
Изотопные свойства
16О
Вода
16О
16О
18О
16О
18О
18О
16О
18О
16О
18О
Лёд
18О
При медленном замерзании воды «тяжелый» изотоп 18O накапливается во льду.
Остаточная вода, соответственно, обогащается «лёгким» изотопом 16O. Кальцит,
кристаллизующийся из этой воды наследует её изотопно «лёгкий» характер.

26.

Диагностика CCC
Изотопные свойства
При изотопном анализе ССС показывают
четкий тренд (рисунок слева):
Тренд ССС
d18O сдвинут в сторону негативных
значений относительно сталагмитов из
той-же пещеры
Характерна обратная корреляция между
d18O и d13C
Zak et al. (2008)
Сталагмиты

27.

Теплее
Холоднее
CCC
Сталагмиты
Кривая на графике показывает климат за последний 1 000 000 лет. Голубая заливка
– ледниковые периоды, светло-коричневая – межледниковья.
Красные точки – возрасты, измеренные для ССС из Российской. Они
образовывались во время переходов от ледниковых условий к межледниковью.
Сталагмиты на Среднем Урале росли только в межледниковье.

28.

Сталагмиты
CCC

29.

Сталагмиты
CCC

30.

Сталагмиты
CCC

31.

Stalagmites
CCC

32.

Stalagmites
CCC

33.

Сталагмиты
CCC

34.

Сталагмиты
CCC

35.

Stalagmites
CCC

36.

Сталагмиты
CCC

37.

Как спелеологи помогают искать ССС:
история Большой Орешной (Восточный Саян)
Эти странные «расщеплённые кристаллы»
были найдены в 1980-х спелеологами
Новосибирского университета. Что такое
ССС тогда ещё не было известно.
Кристаллы были переданы в
Минералогический музей НГУ.
В 2015 мне их передали сотрудники музея.
То, что это, действительно, ССС подтвердил
изотопный анализ.
Их, также, удалось датировать.
Возраст 13,267±59 лет
Возраст 13,740 ± 47 лет
10 mm

38.

Состояние на лето 2016
Урал: Северный, Средний и
Южный (10 пещер)
Восточный Саян (3 пещеры)
Оз. Байкал (1 пещера)
Приморье (1 пещера)