Соколиная скала. Образование пород Ильменского хребта геологи относят к палеозою. За это время длительными эрозионными процессами облик горного массива был изменен. Речки, ручьи, паводковые и дождевые воды размыли, расчленили хребет на отдельные отроги, сгладили и округлили их вершины, прорезали глубокие лога, обнажили крутые скалистые склоны их, образовали навалы каменных глыб. Наиболее ярко выражено это в южной части заповедника. Лога речек Черемшанки и Ключа Савельева особенно глубоки, склоны их крутые, местами обрывистые. На расстоянии полукилометра вверх по течению речки Первой Черемшанки находится огромная отвесная скала, сложенная гранит-аплитом, высотою 50 метров, известная под названием «Соколиная». На этой скале до 50-х годов гнездился в совершенно недоступном месте сокол-сапсан. С ее вершины открывается прекрасный вид на ряд вершин, долин, озер и лесов восточного склона Ильменского хребта.
Черемшанский бугор. На левом берегу Большой Черемшанки находится относительно небольшая возвышенность, представляющая южный отрог горы Фирсовой и называемая «Черемшанский бугор». Форма его необычна: южный и западный склоны бугра крутые, обрывистые, выходят к реке Черемшанке, а восточный склон полого опускается к Северо-Ильменскому торфяному болоту. Почти наивысшей точкой бугра является Черемшанский утес, находящийся у излучины Большой Черемшанки. К речке он обращен отвесным 20-метровым обрывом, а в верхней части выглядит как останец со сквозным круглым отверстием, диаметром около полуметра. Столь оригинальная форма бугра легко объясняется его геологическим строением. Весь бугор сложен полого падающей на восток слоистой толщей различных горных пород. В самой верхней части бугра и обрыва выходят миаскиты, как наиболее стойкие к разрушению породы, а пологий восточный склон бугра почти совпадает с пологой кровлей этого миаскитового тела.
В некоторых районах такие формы рельефа довольно обычны. Они имеют специальное название — квесты, или куэсты. Но на Южном Урале, где довольно редко встречается пологое залегание слоистых толщ с резко различной способностью к разрушению, подобного рода образования — редкость.
Стоит добавить, что на Черемшанском бугре расположены знаменитые с начала прошлого века копи циркона, роговой обманки, пирохлора, эшинита, сфена и молибденового блеска.
Ручей Обманный. О значительном разрушении Ильменского хребта в четвертичное время свидетельствуют мощные песчано-глинистые и каменистые отложения в устьях логов — конусов выноса. Благодаря наличию этих конусов, ручьи, текущие по логам, близ устья меняют свое направление или даже разветвляются на два рукава. На западном склоне Ильменских гор в Аптекарском логу, близ Золотого кордона, есть ручей, который в устье лога разветвляется на два. Крутизна стока этих ручьев настолько разная, что в одном из них, пологом, создается полная иллюзия течения воды вспять, то есть в гору. От этого ручей и получил свое название.
Климат заповедника типично континентальный.
Изрезанность рельефа, большое разнообразие материнских горных пород (граниты, гнейсы, миаскиты, змеевики и другие) обусловили значительное количество почвенных типов. Горному ландшафту заповедника необычайную красоту придают его водоемы. Озера Большой Кисегач и Большое Миассово — самые крупные и глубокие из всех озер заповедника (описание озера Большой Кисегач см. в разделе «Гидрологические памятники».— Прим. ред.).
Озеро Большое Миассово находится в средней части заповедника, среди невысоких увалов и холмов, в которые вдаются большие заливы (курьи): с восточной стороны — Липовый, Круглый, с запада — Штанный, с юга — Няшевский. Эти заливы далеко врезаются в материк и разветвляются, что придает форме озера вид амебы. Длина озера — восемь, ширина — 2,5 километра, максимальная глубина — 23 метра. Ложе озера корытообразное. Вода наиболее глубоких зон заражена сероводородом. В озере много ила. Местами пласты его имеют мощность 17 метров. Среди илов нередко выступают подводные скалы в виде каменных гривок, находящихся на разных глубинах от водной поверхности. Вода в озере просматривается на 10 метров, с берега она кажется зеленовато-синей. В озеро впадают шесть речек, исток его представлен широким проливом (до 300 м) — Проходной курьей, которая соединяет Большое Миассово с мелким (до 6 м глубиной) горно-степным водоемом — Малое Миассово. Живописный вид на озеро Большое Миассово открывается со стороны полуострова Сайма. В ясную летнюю погоду перед наблюдателем предстает величественная картина: обширная серебристая водная гладь, окруженная сосновыми лесами с волнистой поверхностью, а вдали за увалами синеет цепь Ильменского хребта. Невольно хочется сказать, что это самое красивое и неповторимое место в заповеднике.
Второе по красоте озеро — Большой Ишкуль. Оно находится в 30 километрах на север от центральной базы заповедника, у подножий гор Мягкой, Мельничной и Унтау. Длина озера — около трех, ширина — до полутора километров, средняя глубина — 7,6 метра. Форма озера продолговатая, топоровидная. Сжатое среди невысоких гор, оно дважды изгибается почти под прямым углом. Берега его изрезаны заливами и в переводе с башкирского «Ишкуль» означает «много озер», или «пять озер». Крутые склоны берегов скалистые, пологие, заболочены и сильно заросли растительностью. Кажется, что прозрачная холодная вода зеленоватого цвета заполняет весьма глубокую впадину, но глубина ее не превышает 14 метров. Дно весьма неровное, местами среди ила в песке выступают многочисленные подводные гривки скальных пород.
Группа маленьких озер, к которой относится и Ильменское, по циклу своего развития находится в разных стадиях заболачивания. В условиях заповедности, без вмешательства человека, этот процесс естествен и служит основой для научных работ гидрологов.
Заповедник расположен в переходной полосе от горно-лесного Урала к равнинной лесостепи Зауралья и Западно-Сибирской низменности. Он входит в Вишневогорско-Ильменогорский геоботанический округ подзоны сосново-березовых лесов лесной зоны. Заповедная территория в основном покрыта лесами (85%) или возникшими под влиянием интенсивных в прошлом рубок и лесных пожаров лугами, зарослями степных кустарников. Участки коренной луговой, степной и кустарниковой растительности невелики, рассеяны по территории заповедника и везде расположены в окружении лесов. Богата водная растительность озер, занимающих значительную площадь в заповеднике. Участки безлесных болот довольно многочисленны, но невелики по размерам.
Лесная древесная флора в видовом отношении довольно бедна. Если общее число видов деревьев и кустарников равно 50, то лишь немногие из них, такие, как например, сосна, береза, осина, лиственница, ольха, ива, являются лесообразующими породами. К преобладающим типам можно отнести сосняки (51% лесной территории), разнотравно-злаковые, ягодниковые, брусничные, бруснично-злаковые. Березняки являются вторичными лесами, но занимают 44 процента лесной площади. Преобладают березняк разнотравно-вейниковый и березняк разнотравно-орляковый. И только пять процентов площади лесов приходится на лиственничник разнотравно-злаковый и бруснично-злаковый, осинник широкотравный и разнотравный, сероольшаник и черноольшаник высокотравный, липняк остепненный.
Площадь, занимаемая горными степями и лугами невелика—восемь процентов территории заповедника. Группировки степной растительности встречаются на крутых склонах южных экспозиций и вершинах гор. Большинство степных участков обязаны своим возникновением лесным пожарам, уничтожавшим древостой сосны и лиственницы и резко усилившим процессы разрушения почв и горных пород. Об этом говорят сохранившиеся повсеместно остатки обгоревшей древесины. Лишь небольшая часть горных степей может быть признана коренною.
В заповеднике два основных типа степей. Каменистая степь небольшими участками встречается по наиболее крутым сильно разрушенным склонам. Горные породы лишь частично прикрыты тонким слоем темноцветных почв. Травяной покров редкий, здесь обычны растения-ксерофиты, хорошо переносящие засуху: гвоздика иглолистная, полыни, молочай, очиток и другие поселяются в местах скопления мелкозема, вблизи камней, старых пней, по трещинам в горных породах и не формируют сомкнутого покрова. Восстановление древостоев на таких участках чрезвычайно затруднено. Появление и закрепление подроста возможно только при повторении нескольких дождливых лет.
Типчаково-разнотравная степь встречается довольно часто на менее крутых склонах гор. Небольшой слой почвы иногда прерывается выходами горных пород. Растительный покров довольно густой и разнообразный, покрывает 80 процентов поверхности почвы. Появление здесь древесных пород препятствует значительному задернению почвы, сильному иссушению ее травами. Первой появляется осина, которая, отмирая в засушливые годы, периодически обмерзая зимой и повреждаясь лосями, вновь дает отпрыски и стойко удерживает за собой площадь. Под ее пологом поселяется сосновый подрост. На вогнутых перегибах рельефа, куда водными потоками сносится и откладывается мелкозем, или в местах выхода по трещинам горных пород грунтовой воды группируются степные кустарники: вишарники, кизильники и изредка спирейники, ракитник, иногда ивы.
Луга в заповеднике довольно разнообразны. Выделяются следующие основные типы лугов: 1) сухие (остепненные) разнотравно-злаковые луга, приурочены к горным склонам, соседствуя с каменистой степью и зарослями кустарников; 2) свежие широкотравные и разнотравные луга, встречаются на лесных полянах. Достаточное увлажнение обеспечивает хорошую урожайность этих лугов; 3) влажные и высокотравные луга распространены в долинах ручьев, у подошв гор и сопок; 4) горно-ключевые луга приурочены к горным седловинам и пологим склонам с грунтовым увлажнением и слабозаболоченными почвами. Отличаются от высокотравных лугов повышенным влаголюбивым разнотравьем; 5) сырые, заболоченные луга располагаются в понижениях рельефа, по окраинам болот. Обширных площадей не занимают, чаще всего попадают небольшие участки.