Порождение движущейся воды

Следующая примечательная группа отложений пещер - водные механические отложения. Знакомство с ними также не доставит большого удовольствия неспециалисту. В Красной пещере есть озера, где почти по пояс погружаешься в вязкую глину, часто оставляя в ней подошву ботинка, а то и нижнюю часть гидрокомбинезона... Но геолог видит в этих отложениях источник разнообразных сведений об условиях "жизни" карстовых полостей. Для их получения, прежде всего, необходимо изучить состав отложений.

Минералогический анализ иногда сразу дает ответ на вопрос, откуда поступает вода. Если состав отложений соответствует составу минералов вмещающих пород, то пещера сформирована местными, автохтонными потоками. Поэтому еще в далеком 1958 году, только начиная исследования Красной пещеры, мы уже знали, что начало ее надо искать на плато Долгоруковского массива, в шахте Провал,- ведь только в пределах питающего ее водосбора есть кварцевая галька. Изучая пещеры долины Косцельской в Татрах, польские спелеологи обратили внимание на то, что пещеры, находящиеся в одном месте, но на разной высоте над дном долины, имели разный состав песчаного заполнителя: чем ближе ко дну, тем богаче спектр находимых в нем минералов... Изучение палеогеографии района показало, что это связано с глубиной врезания реки, постепенно "добравшейся" до водосборов центральной части Татр, сложенных некарстующимися породами.

Конечно, при детальных исследованиях эта схема выглядит значительно сложнее. Приходится отбирать сотни проб, разделять их на фракции по размеру, удельному весу, магнитным и прочим свойствам, определять и подсчитывать под микроскопом содержание отдельных минеральных зерен и т. д. Наградой бывают удивительные находки. В пещерах Крыма неожиданно обнаружены минералы: муассанит, когенит, иоцит, до того известные только в метеоритах; в пещерах Болгарии обнаружены прослои вулканического пепла, которые есть основания связывать со взрывом вулкана на о-ве Санторин в Эгейском море в 25 и 4-1 тысячелетиях до н. э.

Так протянулась ниточка, связывающая исследователей пещер XX века с проблемами Атлантиды и гибели минойской культуры...

Второе направление исследований водных механических отложений - изучение их крупности. Она может быть различной - от метровых валунов, иногда находимых в пещерах, образованных ледниковыми потоками, до тончайшей глины, частицы которой имеют микронные размеры. Естественно, и методы их исследований разные: прямой обмер, использование набора сит, применение обычных и ультрацентрифуг. Что же дают все эти, часто длительные и дорогие, работы? Основное - восстановление древних палеогеографических условий существования пещер. Между скоростью подземных потоков, диаметром каналов, по которым они движутся, и размерами переносимых частиц имеются связи, выражаемые довольно сложными формулами. В их основе лежат все те же уравнения неразрывности потока Бернулли, "помноженные" на не менее известное уравнение Стокса, описывающее скорость оседания частиц в стоячей воде разной температуры и плотности. В результате получается красивая номограмма, предложенная чешским спелеологом Р. Буркхардтом,- график, по которому, зная площадь поперечного сечения хода и диаметры частиц, отложившихся на его дне, можно оценить среднюю и максимальную скорость и расход некогда бушевавших здесь потоков (рис. 63).

Изучение водных механических отложений позволяет дать ответ и на некоторые теоретические проблемы, в частности вопрос о том, в какой гидродинамической зоне закладывалась данная пещера. В 1942 г., обнаружив на дне ряда пещер США тонкую глину, опытный геолог и спелеолог Дж. Бретц предположил, что они образованы путем растворения известняков медленно текущими водами: ведь только в них возможно осаждение глинистых частиц! Через 15 лет, выкопав в десятках этих же пещер глубокие шурфы, карстовед Девис установил, что жирные глины лишь венчают очень сложный многометровый разрез заполнителя. Под глинами располагались слои песка и гравия, принесенные мощным потоком, затем следовала натечная кора, которая могла образоваться только при длительном осушении пещеры, ниже - опять в разрезе появлялась глина, ложащаяся на валуны... Так водные механические отложения помогают специалистам "прочитать" историю развития пещер.

9.4. "Капь верхняя" и "капь нижняя"

Термины "сталактит" и "сталагмит" (от греческого "сталагма" - капля) ввел в литературу в 1655 г. датский натуралист Олао Ворм. Через сто лет в русской литературе появилось не менее образное определение Михаила Ломоносова: "капь"... Действительно, эти образования связаны с капельной формой движения воды. Мы уже знаем некоторые особенности поведения капли как жидкости. Но это не просто вода, а раствор, содержащий те или иные компоненты. Когда в основании обводненной трещины формируется капля раствора, это не только борьба силы поверхностного натяжения и силы тяжести. Одновременно начинаются химические процессы, приводящие к выпадению на контакте раствора и горной породы микроскопических частиц карбоната кальция. Несколько тысяч капель, сорвавшиеся с потолка пещеры, оставляют после себя на контакте порода/раствор тонкое полупрозрачное колечко кальцита. Следующие порции воды уже будут образовывать капли на контакте кальцит/раствор. Так из колечка образуется все удлиняющаяся трубочка. Самые длинные трубочки (брчки) 4-5 м (пещера Гомбасек, Словакия). Казалось бы, несложна и химическая суть процесса - обратимая реакция

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ <- -> Са²⁺ + 2НСО^-₃. (1)

При растворении известняка реакция идет вправо, с образованием одного двухвалентного иона Са и двух одновалентных ионов НСО₃. При образовании натеков реакция идет влево и из этих ионов образуется минерал кальцит. Но и здесь есть "подводный камень", и даже не один...

Во многих учебниках по географии и геологии образование сталактитов объясняют испарением воды. Не избежал этой ошибки в своих ранних работах и А. Е. Ферсман. Но мы уже знаем, что в пещерах дефицит насыщения воздуха влагой близок к 0. В таких условиях преобладает не испарение, а конденсация.

Реакция (1) на деле идет в несколько стадий. Сперва вода взамодействует с углекислым газом:

Н₂О + СО₂ = Н₂СО₃ <- -> Н⁺ + НСО^-₃. (2)

Но угольная кислота слабая и поэтому диссоциирует на ион водорода (Н⁺) и на ион НСО^-₃. Ион водорода подкисляет раствор, и только после этого начинается растворение кальцита. Значит, в формуле (1) только один ион НСО₃ поступает из породы, а второй - не связан с нею и образуется из привнесенных в карстовый массив воды и углекислого газа. Это на 20-30% уменьшает расчетную величину активности карстового процесса. Рассмотрим лишь один простой пример. Пусть сумма всех ионов, находящихся в воде, составляет 400 мг/л (в том числе - 200 мг/л НСО₃). Если мы используем анализ для оценки питьевой воды, то в расчет включаются все 400 мг/л (нам все равно, откуда взялись отдельные компоненты, находящиеся в воде, важно, что они там есть). Но если по этому анализу рассчитывать интенсивность карстового процесса, то в расчет следует включать сумму ионов минус половина содержания иона НСО₃ (400-100 = 300 мг/л). Такие ошибки в расчетах имеются в работах многих карстологов мира, в том числе имеющих высокие научные степени и звания.

Затем необходимо оценить, какой перепад парциальных давлений СО₂ имеется в системе. В 40-50 гг. считалось, что карстовый процесс идет только за счет СО₂, поступающего из атмосферы. Но в воздухе земного шара его всего 0,03-0,04 объемных % (давление 0,0003-0,0004 мм рт. ст.), и колебания этой величины по широте и по высоте над уровнем моря незначительны. А между тем давно подмечено, что более богаты натеками пещеры умеренных широт и субтропиков, а в пещерах высоких широт и больших высот их совсем мало... Изучение состава почвенного воздуха, выполненное группой венгерского спелеолога Ласло Якуча, показало, что содержание СО₂ в нем 1-5 объемных %, то есть на 1,5-2 порядка больше, чем в атмосфере. Немедленно возникла гипотеза: сталактиты образуются при перепаде парциального давления СО₂ в трещинах (такое же, как в почвенном воздухе) и воздухе пещер, имеющего атмосферное содержание СО₂. Последнюю коррективу внесло непосредственное определение СО₂ в воздухе пещер. Окончательный "диагноз" гласит: сталактиты образуются в основном не при испарении влаги, а при наличии градиента парциального давления СО₂ от 1-5% (почвенный воздух и вода в трещинах) до 0,1-0,5% (воздух в пещерах).

Пока питающий канал сталактита открыт, по нему регулярно поступают капли. Срываясь с его кончика, они образуют на полу одиночный сталагмит. Происходит это довольно медленно (десятки - сотни лет), и поэтому такие тянущиеся другу к другу формы во многих оборудованных пещерах мира получили образное название "вечных любовников". Когда питающий канал зарастет, будет забит глиной или песчинками, одного из любовников ожидает "инфаркт" - повышение гидростатического давления в канале. Его стенка прорывается, и сталактит продолжает расти уже за счет стекания пленки растворов по его внешней стороне (рис. 64). Если вода высачивается вдоль плоскостей напластования и наклонных трещин в своде - возникают ряды сталактитов, бахрома и занавеси самых причудливых форм и размеров.

В зависимости от постоянства водопритока и высоты зала под капельниками образуются одиночные сталагмиты-палки высотой 1-2 м и диаметром 3-4 см; "расплющенные", похожие на пни спиленных деревьев, или конусовидные, напоминающие башни или пагоды формы. Это самые крупные натечные образования пещер, имеющие размеры в несколько десятков метров. Самым высоким сталагмитом в мире сейчас считается 63-метровый гигант в пещере Лас Вильяс (Куба), а в Европе - 35,6-метровый, в пещере Бузго в Словакии. При срастании сталактитов и сталагмитов образуются сталагнаты, постепенно превращающиеся в колонны. Отдельные из них достигают 30-40 м (высота) и 10-12 м (диаметр). При стекании в виде пленок и плоских потоков образуются каскадные натеки самых разных форм и размеров.

Кроме перечисленных широко распространенных форм в субаэральных условиях (то есть в воздушной среде) образуются всевозможные причудливые образования, напоминающие цветы (антодиты), пузыри (блистеры, баллоны), кораллы (кораллоиды, попкорн, ботриоиды), спирали (геликтиты) и пр. Наибольшее удивление и у обычных посетителей, и у специалистов вызывают геликтиты. Самые крупные из них, длиной 2 м, описаны в Джаул-Кейв (ЮАР). В Новой Зеландии описан спиральный гипсовый геликтит "Пружина" длиной 80 см (Флуур-Кейв). Огромные гипсовые "лапы" длиной 5-7 м описаны в пещерах Кап-Кутан (Туркмения) и Лечугия (США). Механизм образования подобных форм до конца не разгадан, их изучением занимаются минералоги многих стран. В последние годы зародилась новая, аэрозольная гипотеза образования некоторых субаэральных форм. Так перебрасывается мостик между изучением конденсации и ионизации воздуха и проблемами спелеогенеза.

Не менее разнообразны субаквальные формы. На поверхности подземных озер образуется тонкая минеральная пленка, которая может прикрепиться к стене ванночки или к сталактиту, достигшему уровня воды, превратившись в тонкую пластинку. Если уровень воды в ванночке колеблется, то образуется несколько уровней нарастания, напоминающих кружевные оторочки. В слабо проточных ванночках и руслах подземных рек образуются натечные плотины-гуры, имеющие высоту от нескольких сантиметров до 15 м (Лос Бриджос, Бразилия). На дне ванночек или в микроуглублениях в теле натека часто образуются пещерные жемчужины, как и настоящий жемчуг, состоящие из десятков концентров нарастания. Особняком стоит удивительное образование - "лунное молоко". В разных условиях оно может быть полужидким, сметаноподобным, плотным, как творог, сыпучим, как мука. При высыхании лунное молоко превращается в тонкую белую пыль, и спелеолог, вылезающий из узкой вертикальной трубы-камина, похож на "антитрубочиста". Лунное молоко имеет около сотни синонимов, его образование "объясняют" более 30 гипотез. Единой теории пока нет, как нет, вероятно, и одной формы "лунного молока" - оно полигенетично...

Как указывали известный русский минералог Д. П. Григорьев (Санкт-Петербург) и один из лучших диагностов пещерных минералов мира - В. И. Степанов (Москва), многообразие форм пещерных отложений объясняется особенностями их онтогенеза: зарождения, избирательного роста и вторичных изменений. В этом направлении пещеры открывают широчайшие возможности кристаллографу и минералогу, лишь бы сохранить натечное убранство до их прихода... К сожалению, исследования тонкостей минералогии и геохимии пещер - пока удел любителей. Эти трудоемкие работы не находят заказчика - натечные отложения пещер, определяя их внешнюю красоту, в основном не имеют значения в практике.

С 70-х гг. XX в. положение начало потихоньку меняться: через внешнюю "экзотику" форм все ощутимее стали просвечивать внутренние закономерности, имеющие не только минералогический интерес. Приведем лишь несколько примеров. В 1970 г. Г. А. Максимович, обобщив разрозненные данные из многих пещер мира, доказал, что карбонатные натеки разной морфологии и размеров образуются при разной интенсивности водопритока. Так, покровные натеки и плотины образуются при расходе воды 1-0,01 л/с; конусовидные сталактиты от 0,0005 до 0,00001 л/с; эксцентричные формы - менее 0,000001 л/с. Блестящее предвидение русских минералогов Н. П. Чирвинского и А. Е. Ферсмана о значении ориентированного роста минералов сейчас развернуто в стройную концепцию естественных отвесов и уровней. В 80-е гг. она была блестяще использована для реконструкции новейших тектонических движений в карстовых районах Италии и Франции в связи со строительством атомных станций. Годичные циклы сталактитов и сталагмитов, хорошо видимые на рис. 64, оказались лишь частным случаем проявления космических ритмов.

В талантливой книге геолога и спелеолога Владимира Мальцева "Пещера мечты. Пещера судьбы", изд-во "Астрель", 1997 - минералогии одной из красивейших пещер мира - Кап-Кутан в Туркменистане - посвящена целая глава. Парадоксальное название ("Наука дилетантов") не помешало автору популярно, но в то же время - вполне профессионально рассказать о современных представлениях о формировании многих минеральных образований пещер - от простейшего сталактита до таинственного эксцентрика.

Очень интересен и химический состав водных хемогенных отложений. А. Е. Ферсман еще в начале XX в. писал, что традиционные представления о кальците как основном минерале пещер верны лишь отчасти. В 80-е гг. в фундаментальной сводке обаятельного американского минералога Карол Хилл и темпераментного итальянского спелеолога Паоло Форти /36/ приведены данные о 186 минералах пещер мира. На первом месте по количеству минеральных видов (числитель) стоят рудные минералы. По числу форм, в которых они кристаллизуются (знаменатель),- карбонаты. Всего под землей встречены минералы 10 классов: рудные - 59/7; фосфаты - 34/4; минералы разных классов - 28/6; оксиды - 12/19; силикаты - 11/14; карбонаты - 10/27; сульфаты - 10/16; нитраты - 6/4; хлориды - 4/9; гидрооксиды - 4/3. Подтвердилось и предвидение А. Е. Ферсмана о формировании минералов пещер в разных геохимических обстановках. Очевидно, не все они выявлены и охарактеризованы. В частности, только начинается изучение минералогии термальных пещер (рис. 65).

Ледяное царство

Водные хемогенные отложения - порождение жидкой и парообразной воды. Вода в виде снега и льда характерна для пещер, где постоянно или сезонно наблюдается отрицательная температура воздуха.

Скопления снега образуются только в подземных полостях с большими входами. Снег залетает в пещеру или накапливается на уступах шахт, срываясь вниз небольшими лавинами. Известны случаи формирования подземных снежных конусов объемом десятки-сотни кубометров на глубине 100- 150 м под входным отверстием (Крым, Бездонная, рис. 19). Одно из самых больших скоплений снега описано в шахте Снежная (Грузия). Первоначально снег поступает во входную воронку глубиной 40 м и площадью по верхнему краю 2000 м². Отсюда он поступает в 130-метровую шахту шириной от 2 до 12м (область транзита). Через отверстие в ее дне он попадает на глубину 200 м, в Большой зал, где образует конус площадью около 5 тыс. м² и объемом более 50 тыс. м³. В разные годы его конфигурация меняется, так как в снегу образуются снежно-ледовые пробки или округлые проталины - каналы дождевого стока, меняющие пути поступления снега с поверхности.

Лед в пещерах имеет различный генезис. Чаще всего происходит уплотнение снега, который сперва превращается в фирн, а затем - в глетчерный лед; реже этот лед даже начинает двигаться, образуя подземный ледник (Аржантьер, Франция); наконец, совсем редко отмечается сохранение в пещерах льда, образованного в условиях многолетней мерзлоты (Сюрприз, Россия), или затекание наземных ледников (Кастельгард, Канада). Второй путь образования пещерного льда - попадание в холодные (статические) пещеры талой снеговой воды (Бузлук, Украина). Третий путь - охлаждение воздуха в ветровых (динамических) пещерах (Айсризенвельт, Австрия), и четвертый - образование сублимационных кристаллов атмогенного происхождения на охлажденной поверхности горной породы или на льду. Интересно, что льды разного генезиса имеют различную минерализацию: самый "пресный" (всего 30-60 мг/л) - сублимационный и глетчерный лед, самый "соленый" - лед из гипсовых и соляных пещер (2 и более г/л). Особый случай - ледяные пещеры, образованные непосредственно во льду горных или покровных ледников. Их ледовые вторичные образования связаны с таянием и замерзанием вмещающего льда (Аймфьёмет, Норвегия и пр.)

Пещеры со льдом чаще всего встречаются в горах, на высоте от 900 до 2000 м. Одна из наиболее известных - Айсризенвельт в Австрии. Вход в нее находится на высоте 1656 м, лед покрывает дно входной галереи на расстоянии до 1 км, в разные годы занимая площадь 20-30 тыс. м². Одна из самых больших пещер-ледников - Добшинская (Словакия). На площади 12 тыс. м² здесь накопилось более 145 тыс. м³ льда, образующего мощные каскады (возраст льда их нижних слоев до 7 тыс. лет) и ледяные натеки (возраст 1-2 года). В России наиболее известна Кунгурская ледяная пещера. Скопления льда образуются в ней в зимний период и только в привходовой части. Объем образующегося льда зависит от погодных условий холодного периода и от посещаемости пещеры.

Являясь простейшим минеральным соединением из группы оксидов, лед образует все формы, свойственные обычным натекам. Чаще других встречаются "замерзшие водопады" - каскады высотой до 100 м (Айсризенвельт), сталактиты, сталагмиты, колонны высотой 10-12 м, различные драпировки; реже - ледяные геликтиты длиной до 10 см и прозрачные гексагональные кристаллы, образующие агрегаты до 60 см в диаметре. Бывает, замерзают и подземные озера, гладкий поверхностный лед которых иногда покрывается снизу сложными подводными формами нарастания (пещеры Пинего-Кулойского района и Сибири).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: