Пещерные криогенные карбонаты презентация

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

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).

Глобальное распространение мерзлоты
Источник: NASA
25% поверхности Земли, свободной от льда

Климат в плейстоцене
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.
Современные условия
Значительно
холоднее
(=больше мерзлоты)
Условия, схожие с современными

Положительная обратная связь при глобальном потеплении
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).

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.
Индикаторы мерзлоты

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

«Обычные» спелеотемы не образуются в условиях мерзлоты. Поэтому, перерывы в образовании спелеотем указывают на возможное присутствие мерзлоты.
Спелеотемы как индикаторы мерзлоты

Образование «обычных» спелеотем
Атмосфера:
СО2 = 400 ppm
Почва:
СО2 >> 400,000 ppm
Пещера:
СО2 < 1000 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).

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

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

HCO3-
HCO3-
HCO3-
СаСО3
Са2+
Са2+
Са2+
HCO3-
HCO3-
Вода
Лёд
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.)

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

Zak et al. (2012)
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.
Как это происходит в природе

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

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).
Как искать CCC
Отбор ССС в пещере Дивья (Северный Урал)

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

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

CCC в пещере Виктория (Башкирия)
Светлые порошковатые отложения на ориентированной вверх поверхности камня (фото слева).
Светлоокрашенное пятно ССС на полу галереи (фото внизу).

Косвенный признак мерзлоты в пещере Виктория (Башкирия) – поломанные сталагмиты
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.

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.
Внешний вид
Диагностика CCC

Масштаб = 10 мм
CCC из пещеры Российская (Средний Урал)

Диагностика CCC
Изотопные свойства
18О
16О
16О
18О
18О
16О
18О
16О
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.
Вода
Лёд
18О
16О
18О
16О

Zak et al. (2008)
Диагностика CCC
Изотопные свойства
При изотопном анализе ССС показывают четкий тренд (рисунок слева):
δ18O сдвинут в сторону негативных значений относительно сталагмитов из той-же пещеры
Характерна обратная корреляция между δ18O и δ13C
Тренд ССС
Сталагмиты

CCC пещеры Российская и глобальный климат
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.
Холоднее Теплее

Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет
CCC
Сталагмиты

CCC
Сталагмиты
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Сталагмиты
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Stalagmites
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Stalagmites
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Сталагмиты
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Сталагмиты
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Stalagmites
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

CCC
Сталагмиты
Миграция южной границы мерзлоты на Урале в последние 130 тыс. лет

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.