Во мраке подземелий
- Что такое спелеология?
- Пещерный Крым. История
- Пещеры. Какие они бывают?
- Во мраке подземелий
- Владения Эола
- Есть ли жизнь под землей?
- Пещеры Крыма. Подземные реки
- Советы начинающему спелеологу
- От Орлиного до Ялты
- На нижнем плато Чатыр-Дага
- Кизил-Коба - красная пещера
- Спелеологический заповедник Крыма
- В предгорном и равнинном Крыму
Во мраке подземелий
Под землей нет грязи в нашем житейском смысле. Ее приносит туда человек. Это он оставляет в пещерах капли стеарина и остатки продуктов, мокрые спички и недокуренные сигареты, консервные банки и остатки самодельных факелов...
В пещерах много глины. В классификации отложений карстовых полостей она занимает особое место: глина - остаточный продукт растворения любой горной породы. Известняки, которыми сложена Главная гряда Крымских гор, имеют самый различный состав. Они образовались из скелетов некогда живших в юрском море кораллов, губок, водорослей и обломков раковин. Весь этот органогенный материал в большей или меньшей степени раздроблен, перекристаллизован и сцементирован карбонатным или глинистым материалом. Расчеты, произведенные Ю. И. Шутовым, показали, что каждый кубический метр растворенного водой известняка дает в среднем 140 кг (70 000 см3) остаточных глин. Французский спелеолог В. Комартэн установил, что остаточные глины могут возникать также в результате жизнедеятельности особого вида бактерий, научившихся усваивать углерод непосредственно из известняков.
Попадая из узких трещин в более широкие ходы карстовых пещер, остаточные глины смешиваются с водными механическими отложениями. Изучение этих отложений дает разнообразную и богатую информацию об условиях формирования карстовых полостей. Исследование обычно проводят в двух основных направлениях. Первое заключается в изучении минералогического состава песка и гальки со дна подземных водотоков. Если состав отложений соответствует составу нерастворимого остатка вмещающих известняков, то пещера сформирована водами местного питающего водосбора. Если, напротив, в составе отложений подземных рек есть чуждые (аллохтонные) минералы, то питающие водосборы надо искать на смежных участках плато или даже на других горных массивах. По этому признаку, ещё только начиная в 1958 г. исследования Красной пещеры, мы установили, что ее питающие водосборы должны находиться в 6-8 км к югу, в бассейне периодического водотока Суботхан: ведь только там имеются выходы конгломератов, кварцевая и песчаниковая галька которых в изобилии встречается в аллювии реки Краснопещерной.
Конечно, при детальных исследованиях все выглядит значительно сложнее. Приходится отбирать десятки проб, разделять их по размерам, удельному, весу, магнитным свойствам на фракции, определять под микроскопом минералы, входящие в их состав, подсчитывать их количества, оценивать степень окатанности. В отложениях подземных рек Крыма Ю. А. Полканов, Л. П. Задорожная, Н. В. Павлова обнаружили более 30 минералов, принадлежащих к классам сульфидов, фторидов, окислов, фосфатов, силикатов, карбонатов, карбидов. Их изучение дало много интересных сведений об условиях формирования пещер.
Второе направление - это изучение размеров водных механических отложений. Дело в том, что между скоростью подземных потоков, диаметром каналов, по которым они протекают, и величиной частиц, которые они переносят, имеются определенные зависимости, выражаемые довольно сложными формулами и номограммами. Определив площадь поперечного сечения хода и средний диаметр отложившихся на его дне песчано-гравийных частиц, можно вычислить скорость и расход потока, некогда протекавшего в этом месте или заполняющего галерею в паводки. Так были установлены палеоскорости и палеорасходы многих подземных водотоков Крыма.
Изучение отложений карстовых полостей, как видим, во многом позволяет раскрыть историю их образования. Тем не менее в теоретической спелеологии до сих пор не прекращаются дискуссии о том, в какой гидродинамической зоне происходит образование пещер. Одни ученые считают, что пещеры образуют скоростные ненапорные потоки, движущиеся в зонах вертикального и переходного движения (см. рис. 3, I, II); другие полагают, что их формируют напорные воды нижних гидродинамических зон (см. рис. 3, III-V). В 1942 г., обнаружив на дне многих пещер Северной Америки тонкоотмученную глину (рис. 12, А), Дж. Бретц предположил, что они образованы путем растворения известня- ков медленно текущими напорными водами. Ведь только в таких водах могло произойти постепенное осаждение глинистых частиц! Однако через пятнадцать лет, выкопав в десятках пещер глубокие шурфы, В. Девис установил, что глины сравнительно небольшой мощности лишь венчают очень сложный разрез заполнителя (рис. 12, Б). Под глинами располагается слой песка и гальки, принесенной свободными потоками, затем следует сталагмитовая кора, которая образовалась при длительном осушении пещеры, ниже опять повторяются пласты глины и песка, ложащиеся на крупные хорошо скатанные глыбы, которые могли быть принесены сюда только при скорости потока более пяти метров в секунду...
Почти в каждой пещере, кроме глины и песка, обнаружены различные обвальные отложения: глыбы и щебенка известняка, высыпки песчаника, скопления мелкозема. Долгое время считалось, что эти отложения не несут никакой полезной информации, кроме сведений об интенсивности разрушения пещер. Оказалось, что это не так. Прежде всего пришлось разделить обвальные отложения на четыре генетические группы. Термогравитационные отложения формируются только у входа в пещеру, в зоне, где велики суточные и сезонные колебания температуры. Вследствие выветривания известняков входное отверстие пещеры увеличивается, а на полу накапливаются щебенка и мелкозем, количество и состав которых, размеры, степень округленности краев, слоистость дают информацию о палеогеографии и палеоклимате района.
Обвально-гравитационные отложения формируются на всем протяжении карстовых пещер, но особенно обильны они в зонах нарушений и интенсивной тектонической трещиноватости. Изучение щебенки, дресвы и небольших глыб, упавших со сводов, дает ценные данные о геологическом строении высоких залов, которые нельзя изучать непосредственно (высота отдельных залов Красной пещеры достигает 40 м, а зал Храм в Ново-Афонской пещере на Кавказе имеет высоту 80 м!). Провально-гравитационные отложения образуют огромные конусы высотой 10-15 м и более, объемом 200-1000 м3. Они всегда строго локализованы и свидетельствуют о провале днища воронки над карстовой полостью или обвале междуэтажной перемычки (рис. 12, Б). Наиболее интересны сейсмогравитационные отложения, образующиеся при землетрясениях. Они представлены глыбами и блоками известняков весом до 100-250 тысяч тонн. Участки пещер, где встречаются такие отложения, представляют собой фантастическое зрелище! Всюду нагромождены глыбы размером с двухэтажный дом, многие из них настолько неустойчивы, что покачиваются и угрожающе скрипят, когда на них поднимается человек. Иногда в хаосе глыб вдруг встречаешь огромную поверженную натечную колонну, которая висит над пропастью, образуя подобие каменного моста, а на ней за многие сотни лет вырос целый лес молодых сталагмитов...
Однако и в этом хаосе есть свой порядок. Харьковские спелеологи под руководством профессора Ю. Л. Симонова выполнили по нашему заданию целый ряд измерений в пещерах Караби, Чатыр-Дага и Ай-Петри. Оказалось, что в пещерах, имеющих горизонтальные полы (это условие обязательно, иначе упавшая колонна откатится и займет другое положение), оси всех поваленных колонн направлены к двум сейсмическим зонам: Ялтинско-Алуштинской и Судакской. Это была первая неожиданность; ведь в Судакской зоне слабые землетрясения были отмечены лишь несколько раз за последние 150 лет. Вторая неожиданность-это распределение карстовых полостей с поваленными колоннами. На Чатыр-Дагском, Долгоруковском и Карабийском массивах их почти в два раза больше, чем на Ай-Петринском. Ялтинском и Бабуганском... Это дало основание И. И. Молодых внести существенные изменения в карту сейсмического районирования Крыма.
О силе подземных толчков, некогда сотрясавших горный Крым, пока можно судить лишь по косвенным данным. 8-балльное землетрясение 11 сентября 1927 г. не обрушило своды и натеки ни в одной из 20 пещер Чатыр-Дага, которые обследовали в это время гидрогеологи П. М. Васильевский и П. И, Желтев. Значит, землетрясения, вызвавшие образование сейсмогравитационных отложений, были более разрушительными, чем известные сейсмические толчки 1927 года...
В содружестве с археологами удалось определить возраст некоторых глыбовых накоплений в пещерах. Наиболее древние из них относятся к первому тысячелетию до нашей эры (пещеры Ени-Сала I и Малой Академии на Долгоруковском и Демерджийском массивах). Землетрясение 1292 г. уничтожило жилище средневекового человека в одной из пещер Басмана. Землетрясения XIV-XV вв. вызвали обвалы на склонах горных массивов, разрушение ряда поселений и монастырей, гибель пещерного храма на Басмане.
Помимо глинистых, водных механических и обвальных отложений в карстовых полостях встречаются водные хемогенные отложения, которые объединяют все наземные и подводные кальцитовые образования. Они делятся на две группы: образованные преимущественно в воздушной среде (натечные) и в водной среде (субаквальные). Общая схема образования натеков удивительно проста. Дождевые и талые воды при инфильтрации через почву насыщаются углекислотой. Двигаясь по трещинам и полостям в зоне нисходящего вертикального движения, они растворяют карбонатные породы согласно уравнению:
СаСO3+Н2O+СO2==Са++ +2НСО3-
При этом устанавливается динамическое равновесие между содержанием СО2 и количеством ионов Са++ и НСО3-, переходящих в раствор. Изменения парциального давления СО3, испарение воды и ее разбрызгивание при ударе о пол приводят к выделению СаСО3 в виде трубчатых сталактитов на потолке (рис. 13, 1) и сталагмитов на полу (6). Если питающий канал сталактита зарастет или забьется глиной, трубка прорывается, вода стекает уже по ее стенкам, и сталактит принимает самые причудливые формы (2). Если вода просачивается вдоль трещин в своде, то здесь формируются ряды сталактитов, бахрома и занавеси (3), если вода проникает через крупные щели - образуются целые каскады натеков (4). Иногда карбонатные образования растут за счет аэрозолей кальция или раствора, который поступает по капиллярам сквозь толщу известняков. Так возникают причудливо ветвящиеся геликтиты (5) и нежные кораллиты (16). Если вода проникает через трещины в сводах постоянно и довольно обильно, то на полах возникают сталагмиты. Иногда это одиночные сталагмиты-палки (6), достигающие высоты 1-2 м при диаметре 3-4 см. Часто образуются конусовидные сталагмиты (7), напоминающие пагоды (8) или пальмы (9). При срастании сталактитов и сталагмитов образуются колонны-сталагнаты (10); они достигают высоты 10-20 м и диаметра 6-7 м.
Не менее разнообразны субаквальные формы. На поверхности подземных озер образуется тонкая кальцитовая пленка (11), которая может нарастать на сталактиты, достигшие уровня воды (12), и на сталагмиты, образуя своеобразные "подсвечники" (13), или на края ванночек (14). Так как уровень воды в ванночках может меняться, часто прослеживаются два-три уровня нарастания, напоминающие красивые кружевные оторочки. В слабо проточных ванночках и в расширениях трещин на стенах пещер довольно часто образуются белые или желтоватые "пещерные жемчужины", которые, как и настоящий жемчуг, состоят из нескольких десятков концентрических кругов нарастания.
Описанная схема, объясняя причины формирования водных хемогенных отложений разного облика, не может объяснить их бесконечного многообразия. Известный советский минералог Д. П. Григорьев отмечал, что химические уравнения не предусматривают особенностей формообразования минералов. Ведущая роль здесь принадлежит их онтогении - процессам зарождения, избирательного роста и вторичных изменений.
К сожалению, карбонатные новообразования не представляют значительного промышленного интереса. Поэтому их изучение производится недостаточно активно. Минералог В. И. Степанов, проанализировав обширную спелеологическую литературу, пришел к выводу, что большинство выполненных исследований посвящено морфологии натеков - изучению внешнего облика тех или иных минеральных агрегатов пещер и лишено генетического содержания. В связи с этим он предложил выделять три генетические генерации. Сталактит-сталагмитовая кора образуется из свободно стекающих гравитационных растворов - капель, плоских ламинарных потоков на стенах, кровле и полу пещер. Эти формы располагаются выше уровня обводнения пещер. Вторая генерация - кораллиты, образующиеся из капиллярных водных пленок на стенках пещер и сталактит-сталагмитовой коре. Они располагаются в зонах конденсации и характеризуются отсутствием центрального питающего канала, всегда имеющегося у сталактитов и геликтитов. Третья генерация - это антолиты, скручивающиеся и расщепляющиеся при росте параллельно-волокнистые агрегаты легко растворимых минералов (гипса, селитры, льда). Применение этой схемы, вероятно, позволит внести ясность во многие вопросы формирования кальцитового убранства пещер Крыма.
Второе направление изучения натечных образований - это исследование их химического состава. Общепринята точка зрения, что все натеки сложены карбонатом кальция (СаСО3), кристаллизующимся в виде минерала кальцита. Указания П. Двойченко на то, что многие натеки сложены минералом арагонитом, пока не подтвердились. Выше мы уже говорили о том, что зарубежные исследователи обнаружили в карбонатных натеках пещер более 20 различных минералов. Вероятно, детальные исследования изменят наши представления и о минералогии крымских пещер.
Очень интересен спектральный состав натеков Крыма. В них обнаружено свыше 20 различных микроэлементов, среди которых преобладают барий, марганец, железо, магний, цинк, никель, медь, кобальт, хром, свинец. Неравномерное распределение этих элементов объясняет различия в окраске натеков, их <пятнистую> люминесценцию, и последние годы начато изучение изотопного состава углерода, сходящего в состав карбоната кальция сталактитов (Э. М. Галимов), радиоактивности натеков и деталей их строения с применением электронного микроскопа (В. Н. Дахнов).
Интересно использование натечных форм как индикаторов гидрогеологических и палеогеографических условий пещер. Одними из первых попытались это сделать советские минералоги Н. П. Чирвинский и А. Е. Ферсман. Они полагали, что сталактиты утрачивают вертикальное положение в связи с новейшими тектоническими движениями района. Сейчас возможности использования натеков как индикаторов значительно расширились. Г. А. Максимович на основании анализа огромной отечественной и зарубежной литературы показал, что карбонатные натеки различной морфологии образуются при разной интенсивности водопритока. Так, например, покровные натеки и плотины (гуры) образуются при водопритоке от 1,00 до 0,01 л/сек; пальмовые сталагмиты-от 0,0005 до 0,00001 л/сек; эксцентрические сталактиты - менее 0,000 000 01 л/сек.
Сегодня каждый школьник знает о годичных кольцах деревьев. Их подсчет и изучение позволяют не только определить возраст данного дерева, но и оценить изменения климатических условий за время его роста, датировать время сооружения различных построек, прохождения селевых паводков. Этим занимается специальная отрасль знаний - дендрохронология. Но мало кому известно, что почти такие же кольца или слои имеются и в карбонатных натеках под землей... В сталактитах из пещер Чехословакии, Венгрии, Австрии, Крыма, Кавказа, Киргизии, Урала при подсчете годовых колец выявлена цикличность, кратная 3, 5-8, 11, 70 и 90-100 годам. Но между годичными слоями дерева и сталактита имеются принципиальные различия. Дерево растет непрерывно, лишь ускоряя и замедляя развитие в благоприятные и неблагоприятные годы. Рост натеков может прекращаться на неопределенно долгое время и затем возобновляться при усилении обводнения пещеры. Свидетелями таких перерывов являются хорошо видимые в шлифах под микроскопом изъеденные, корродированные поверхности отдельных слоев. Поэтому для палеоклиматических реконструкций надо искать непрерывные разрезы, охватывающие большой период времени. И такие разрезы мы обнаружили в дальней части Красной пещеры. За пятым сифоном, почти в 4 км от входа, находится участок галереи, где на расстоянии 340 м располагается 36 натечных плотин, отстоящих друг от друга на 3-35 м. Каждая плотина поднимается над полом на 1,8-2,0, м. Конечно, здесь не побегаешь... По пояс в воде, а то и вплавь подбираешься к основанию плотины и пытаешься найти зацепы, уступчики, трещины. Осторожно, стараясь не разрезать об острые края размытых натеков гидрокостюм, перелезаешь через гребень плотины, спрыгиваешь в озер ную ванну за нею (ее глубина может оказаться и 20 сантиметров, и 4 метра...). И так 36 раз подряд! Во время одной из таких "прогулок" мы обратили внимание на боковую поверхность плотины, "пропиленной" подземным потоком. На ней четко прослеживались даже на глаз сезонные слои, объединяющиеся в какие-то ритмы, но считать их здесь, сидя в холодной воде?! Через год харьковские и московские спелеологи под руководством доктора технических наук Ю. Л. Симонова и доктора физико-математических наук В. В. Илюхина произвели детальную послойную фотосъемку разрезов трех таких плотин. Обработка этих материалов показала, что плотины состоят почти из 10 тысяч годичных слоев. Их развитие происходило непрерывно, но примерно каждые 1750 лет, как и на поверхности земли, менялись климатические условия и происходил частичный размыв плотин. В разрезе всех плотин четко прослеживаются 11-13-летние ритмы, кратные земным и космическим проявлениям изменений солнечной активности...
Рассказ о загадках карбонатных натеков пещер Крыма можно продолжить. Но, вероятно, и так достаточно ясно, что они - настоящая целина для исследователя!
В заключение скажем несколько слов о другом широко распространенном в природе минерале - гипсе, который довольно редко встречается в крымских пещерах. Впервые мы обнаружили гипс в Партизанской пещере на Ай-Петри. Стенка над одним из узких лазов была покрыта тонкой пленкой серебристо-белого цвета толщиной 1-2 мм, состоящей из пластинчатых кристаллов гипса. В Ставрикайской и Красной пещерах были встречены закрученные и изогнутые гипсовые цветы - антолиты. Некоторые из них мы взяли на химический анализ, но лет через пять на этом месте опять обнаружили "каменный цветник".
Почему гипс встречается лишь в четырех из 800 карстовых полостей Крыма? Эта загадка мучила нас не один год. Только после детального изучения геологии и геохимии гипсоносных пещер нашли ответ. Гипсовая минерализация характерна только для зон, близких к тектоническим нарушениям - разломам. Но гипс растворим. Поэтому он сохраняется лишь в тех участках пещер, где отсутствуют инфильтрациям активная конденсация.
Читатель уже знает, что на дне коррозионно-гравитационных и нивально-коррозионных полостей может в довольно больших количествах накапливаться снег. В коррозионно-эрозионных полостях чаще встречается пещерный лед. Он образуется главным образом весной, когда талая снеговая вода по трещинам проникает в карстовые полости, в которых еще сохранился холодный зимний воздух, имеющий отрицательную температуру. Это так называемый гидрогенный лед. Он образует на сводах, стенах и полах пещер всевозможные натечные формы - сталактиты, драпировки, натечные коры. Иногда ледяные сосульки достигают огромных размеров. Например, в шахте Бездонная на Чатыр-Даге, на глубине 80 м от поверхности, в отдельные годы описаны ледопады с длиной сосулек до 10-12 м! По полу пещеры Трехглазка на Ай-Петри можно кататься на коньках.
В некоторых вскрытых пещерах Крыма (Большой Вузлук на Караби) лед образуется не только при замерзании инфильтрационной воды, но и при уплотнении, офирновании снега, попадающего через широкое входное отверстие. Такой лед имеет четкую сезонную слоистость: более толстый светлый прослой зимнего происхождения чередуется с тонким, более плотным темным прослоем, который формируется летом при подтаивании льда, его перекристаллизации и загрязнении глинистыми частицами и гумусом, принесенными с поверхности. В пещерах Крыма мощность скоплений льда в самых крупных ледяных пещерах не превышает 15-20 м, а количество годовых прослоев - 70-80 лет. Таким образом, лед в крымских пещерах - это молодое, современное образование, а не реликт последнего ледникового периода, как иногда указывается в литературе. В мире известны карстовые пещеры со значительно более мощным подземным оледенением. В Добшинской ледяной пещере в Чехословакии площадь, занятая льдом, достигает 10 тысяч квадратных метров, а в пещере Айсри- зенвельт в Австрии объем льда превышает 150 тысяч кубических метров. Однако и в этих гигантских подземных ледниках нижние горизонты льда имеют возраст лишь 3-6 тысяч лет.
Летом лед начинает подтаивать. Сталагмиты приобретают характерную кеглеобразную форму, а на стенках, покрытых броней натечного льда, вырастают эфемерные ледяные цветы...
Происхождение льда можно довольно легко определить по его минерализации. Минимальную минерализацию (около 50 мг/л) имеют ледяные цветы атмогенного льда; фирновый лед содержит в среднем 70-90 мг/л минеральных веществ; максимальная минерализация (до 230 мг/л) свойственна гидрогенному льду. Минералогия и кристаллография отложений льда из пещер Крыма совершенно не изучены.
В пещерах Крыма иногда встречаются различные органогенные отложения: гуано летучих мышей, скопления костей различных животных, калийная селитра. Их сравнительно немного, и изучены они пока еще слабо. О некоторых из них мы расскажем в разделе, посвященном жизни под землей.
Итак, во мраке подземелий таятся удивительные минеральные соединения, самые разнообразные по происхождению, формам, размерам, научному значению. Все, что мы знаем сегодня об отложениях пещер Крыма, - это не более чем разведка, первое соприкосновение с объектом исследований. И это должен помнить каждый, кто сегодня проникает в этот удивительный мир.
Ссылки по теме:
