Спелео

Рожденные во тьме

Глина - это не грязь...

Одним из важнейших компонентов подземных ландшафтов являются отложения пещер. Их классификации посвящены десятки работ специалистов-карстологов всего мира. Например, в 1985 г. Р. Цыкин выделил 18 генетических типов отложений, образующихся в пещерной обстановке. Здесь присутствуют практически все осадочные и кристаллические образования, известные на поверхности, но представлены они специфическими формами. Подробное описание пещерных отложений - дело специалистов. Наша задача - дать читателю общее представление о том, что можно встретить под землей. Для этой цели более подходит классификация, предложенная Д. С. Соколовым и переработанная Г. А. Максимовичем. Она включает 8 типов пещерных отложений: остаточные, обвальные, водные механические, водные хемогенные, криогенные, органогенные, антропогенные и гидротермальные.

Остаточные отложения. На протяжении сорокалетней пещерной деятельности автору не раз приходилось сопровождать под землей группы неспециалистов. Первая их реакция: "как здесь грязно..." Приходилось объяснять, что глина - не грязь, а один из типов отложений, обязательно присутствующих под землей.

История остаточных отложений - история капли воды. В карстующихся породах в небольших количествах (1-10%) обязательно содержится примесь песка или глины, состоящая из SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. При растворении известняков или гипсов нерастворимый остаток накапливается на стенах трещин, сползает на дно галерей, смешивается с другими пещерными отложениями. Карстолог Ю. И. Шутов подсчитал, что из одного кубического метра юрских известняков, слагающих Крымские горы (вес его около 2,7 т), образуется 140 кг глины (0,05 м³). Исследования показали, что она сложена минералами иллитом, монтмориллонитом, каолинитом, полевым шпатом, кварцем. От их соотношения зависят свойства глин: часть из них набухает при увлажнении, закупоривая мелкие трещины, часть, напротив, легко отдает воду и быстро осыпается со стенок. Иногда в образовании налетов глины на стенках принимают участие и бактерии: в 1957 г. французский исследователь В. Комартен доказал, что некоторые виды микробов могут получать углерод непосредственно из известняка (СаСО₃). Так на стенах пещер образуются червеобразные или округлые углубления - глинистые вермикуляции, заполненные продуктами, непригодными даже для бактерий (рис. 61).

Остаточные отложения не имеют практического значения. Исключение, пожалуй, представляет случай, когда пещера находится неподалеку от действующих карьеров, где полезные ископаемые добываются взрывным способом. После сильных взрывов, эквивалентных местному сейсмическому толчку силой до 7 баллов, глины могут сползать со стенок трещин, временно закупоривая водопроводяшие каналы источников. Известны случаи, когда их расход падал до нуля, а затем из источников начинала идти красная вода, выносящая взвешенные глинистые частицы...

В грохоте обвалов

В фундаментальной сводке Г. А. Максимовича обвальным отложениям посвящено всего 5 строчек... Считалось, что они не несут почти никакой информации. Исследования 60-90 гг. показали, что это не так. Они подразделяются на три группы разного происхождения.

Термогравитационные отложения образуются только у входа в пещеру, там, где велики суточные и сезонные колебания температур. Их стены шелушатся, присводовая часть полости растет, а на ее полу накапливаются щебенка и мелкозем. Немецкий спелеолог И. Штрайт, потратив более десятка лет и применив изощренные математические методы обработки материалов, доказал, что количество этого материала, его состав, размеры, форма частиц, число их ребер и граней хранят зашифрованную информацию об изменениях климата района на протяжении десятков тысяч лет. Среднеазиатские карстоведы по пятнам этих отложений, выделяющимся на голом склоне, уверенно обнаруживают с противоположного склона малозаметные входы в пещеры.

Обвально-гравитационные отложения формируются на всем протяжении пещер, но особенно обильно - в зонах тектонической трещиноватости. Щебенка, дресва, небольшие глыбы, упавшие со сводов, дают представление о геологическом строении высоких залов, которое трудно изучить непосредственно (для исследования купола Большого зала в Карлсбадской пещере США американский спелеолог Р. Кербо использовал даже воздушный шар!).

Наибольший интерес представляют провально-гравитационные отложения. Смена предлогов имеет большой смысл: при обвале на дне галереи накапливается только тот материал, который имеется в самой пещере; при провале свода в нее поступает материал с поверхности, а при обрушении междуэтажных перекрытий возникают огромные залы... Эти отложения представлены блоками и глыбами весом в сотни тысяч тонн. Участки пещер, где они встречаются, представляют фантастическое зрелище. Многие из них настолько неустойчивы, что угрожающе скрипят, когда на них поднимается спелеолог.

Красновато-бурая поверхность известняков покрыта белыми звездами - следами ударов упавших камней. Неуютно чувствует себя человек в этом хаосе. Но часто и здесь можно найти как-то сразу успокаивающие закономерности...

В 1989 г. симферопольские спелеологи обнаружили, а в 90-е исследовали и оборудовали для экскурсий одну из самых красивых пещер Крыма - Мраморную на Чатырдаге. В ее центральной части располагается самый большой в Крыму обвальный зал (площадь - половина футбольного поля!), получивший в духе времени ироническое название зала Перестройки. К нашему удивлению, в хаосе его глыб наметился порядок: одни из них лежат горизонтально, другие - наклонены под углами 30-60°, третьи - перевернуты вверх ногами, и некогда наросшие на них сталактиты сейчас превратились в "сталагмиты"... Секрет в том, что слагающие пещеру известняки сами падают под углом 30°. Поэтому при отрыве пласта в своде зала он смещается шарнирно, с поворотом и даже переворотом.

Кроме блоков и глыб к провально-гравитационным отложениям относятся еще поваленные натечные колонны. Лучше других они изучены в сейсмических районах - в Крыму, на юге Франции, на севере Италии. При этом удалось установить прямые и обратные связи карстоведения и сейсмологии. Сильные землетрясения вызывают обрушение сводов пещер. Если образующиеся при этом блоки и глыбы трудно напрямую связать с ними, то ориентированные поваленные колонны иногда уверенно указывают на эпицентры землетрясений. Так, в Крыму описано около 60 колонн, лежащих на горизонтальном полу (это очень важно, так как на наклонных полах они могут откатиться и сменить ориентировку). 40% их тяготеет к Судакской, 40% - к Ялтинской и по 10% - к Алуштинской и Севастопольской эпицентральным зонам. Это свидетельствует о миграции очагов сильных землетрясений в антропогене от Судака до Севастополя. К сожалению, пока не найдена расчетная схема, позволяющая объяснить механизм смещения гигантов, имеющих длину до 8 м (шахта Монастыр-Чокрак), диаметр до 3 м (Красная пещера) и вес до 70 т (шахта Мира). Ясно только, что они были сильнее, чем землетрясения исторического периода.

Когда происходили такие землетрясения? Спелеология и здесь дает сейсмологам надежный метод датировки. Натечные колонны - "минералогические" отвесы, в которых зафиксировано положение геофизической вертикали данной местности на протяжении всего ее роста. Если после падения на них нарастают сталактиты или сталагмиты (рис. 62), то по их возрасту, определенному любым абсолютным методом (радиоуглеродным, ядерно-магнитного резонанса и пр.), можно определить возраст колонны (не ранее чем...). По Крыму пока есть только две радиоуглеродные даты, дающие для поваленных колонн зала Перестройки возраст 10 и 60 тысяч лет. В других пещерах мира этот диапазон еще шире - от 10 до 500 тыс. лет...

Обратная связь карста и сейсмологии проявляется в том, что при провале свода пещеры образуются блоки весом до 2- 3 тысяч тонн. Удар о пол при падении с высоты 10-100 м высвобождает энергию, составляющую 1x10¹⁵ - 10¹⁷ эрг, что соизмеримо с энергией землетрясений (ташкентское землетрясение 1966 г.- 1х10¹⁸ эрга). Правда, она локализуется в небольшом объеме породы, но может вызвать ощутимое местное землетрясение силой до 5 баллов.

Спелеологические методы уточнения карт сейсмического районирования широко использовались во Франции при определении мест размещения атомных электростанций. Такие же работы, существенно изменившие первоначальные представления специалистов, были проведены в 90-е гг. в Крыму. Это лишний раз доказывает, что в природе все взаимосвязано и нет естественных объектов, не несущих полезную информацию. Надо только уметь получить ее.

Чтобы закончить эту тему, коротко коснемся еще одного вопроса. В какой мере землетрясения опасны для работающего под землей спелеолога? Сведения по этому поводу немногочисленны, но наводят на раздумья. Во время крымского землетрясения 1927 г. в шахте Эмине-Баир-Хосар на Чатырдаге находилась группа из гидрогеологического отряда П. М. Васильевского. Она вообще не ощутила семибалльный толчок, который вызвал панику среди их проводников на поверхности. 1.05.1929 г. во время Гермабского землетрясения (9 баллов) в Бахарденской пещере находились экскурсанты. Они услышали нарастающий гул, со стен посыпались отдельные камешки, по озеру у их ног пошли пологие волны... Землетрясение Вранча 4.03.1977 г. (8 баллов) ощущалось в пещере Топчика (Болгария) лишь по слабому колебанию уровня и температуры воды в подземном водотоке. Казалось бы, ясно: даже самые сильные сейсмические толчки под землей затухают (явление "декаплинга", доставившее немало хлопот при подписании договора о запрещении ядерных взрывов). Но не будем спешить с выводами. По свидетельству Л. И. Маруашвили, во время Балдинского землетрясения 1957 г. была заполнена обрушившейся породой и прекратила существование как географический объект карстовая шахта Ципурия (Грузия). После землетрясения 27.08.1988 г. в шахте Весенняя (Бзыбский массив, Грузия) произошло смещение глыбового завала на глубине 200 м. Спелеологи, только что выбравшиеся из него, уцелели лишь по счастливой случайности. Нет, с землетрясениями шутки плохи - и на земле, и под землей...

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.

«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).

9.6. За удобрениями - под землю

В пещерах часто скапливаются различные органогенные отложения: гуано, костяная брекчия, фосфориты, селитра, которые являются великолепным удобрением.

Наиболее широко распространены отложения гуано - помета летучих мышей или птиц. В средних широтах оно редко образует промышленные скопления. Обычно это тонкие прослои или конусовидные кучи высотой 1-2 м и диаметром 2-5 м, образующиеся под местами прикрепления небольших (десятки - сотни особей) колоний летучих мышей. В более низких широтах всех континентов летучие мыши образуют огромные колонии, достигающие 10-25 миллионов особей (Бракенская, Новая, США). В таких пещерах, а также - в полостях, где гнездятся птицы, скопления гуано достигают 40 м по мощности (Киркуло, Куба), а запасы - 100 тысяч тонн (Карлсбадская, Мамонтова, США). В ряде пещер Северной и Южной Америки запасы гуано выработаны полностью; на Кубе оно до сих пор считается "черным золотом". В пещере Киркуло ежегодно добывается до 1000 тонн гуано, а запасы его оцениваются в 80 тыс. тонн. Расходы по промышленной добыче гуано составляют всего 15% от его продажной цены. В Таиланде доход от эксплуатации нескольких "гуановых" пещер достигает 50 тыс. долларов. На эти деньги существует несколько буддийских храмов и общинных училищ.

Гуано - ценнейшее удобрение. В нем содержится от 12 до 30% соединений фосфора, азота, калия. Удобрения из гуано - концентрат. Чтобы пользоваться им, не повредив корневую систему растений, надо "разбавлять" его черноземом в соотношении 1:5, 1:10. Пещерные месторождения гуано эксплуатируются также в Венесуэле, Малайзии, Кении. Местные жители используют его в подсобном хозяйстве во многих карстовых районах мира (Франция, Испания, Италия, Словения, Греция, Узбекистан, Вьетнам, Австралия и пр.). В последние десятилетия в связи с "шампиньонным бумом" во Франции гуано используют при выращивании грибов.

В пещерах, где имеется гуано, входящие в его состав фосфор и сера дают начало растворам кислот, которые взаимодействуют с коренными породами и натеками. В результате возникают коррозионные формы - "гуановые" горшки, купола, ниши, а также - целый спектр (более 50!) еще слабо изученных фосфатных минералов. В пещерах, где формирование гуано продолжается и в настоящее время, очень богат и специфичен животный мир, многие представители которого являются носителями заболеваний. В 60-80 гг. при исследовании пещер низких широт тяжело заболели многие европейские спелеологи, очень восприимчивые к "тропическим" вирусам. Сейчас у пещер с гуано ставят предупреждающий знак: "Опасно: гистоплазмоз".

Несколько реже фосфорсодержащие отложения образуются в пещерах, богатых костными останками позвоночных. В Европе особенно хорошо изучены костеносные пещеры Драхенхеле и Михнитц (Австрия) и Куерси (Франция). Фосфорсодержащие отложения представляют собой рыхлые песчано-глинистые и землистые красно-бурые породы, богатые окисью фосфора (22-25%), кремнезема (22-27%), алюминия и железа (2-5%). Костяные брекчии часто цементируются карбонатными натеками. В ряде пещер Бельгии, Франции, Китая брекчии, содержащие костные останки позвоночных, полностью выработаны для нужд промышленности.

Скопления биогенной селитры (NaNO₃) изредка встречаются в пещерах, которые служили убежищем для диких животных или загонами для скота. Во многих пещерах штатов Кентукки (Мамонтова), Ю. Виргиния (Синнет), Индиана (Вайандот), Джорджия (Кингстон) в США, предгорного Крыма и Кавказа в XIX в. селитра добывалась для производства пороха. В частности, небольшой пороховой завод на "пещерном сырье" работал в Севастополе во время англо-франко-русской войны 1854-1855 гг. Интересно, что наличие розеток селитры на стенах является свидетельством сравнительно низкой (всего 70-80%) влажности воздуха пещер.

Строго говоря, к органогенным относятся и антропогенные отложения, связанные с пребыванием под землей человека. Они имеют ряд особенностей, и поэтому мы рассмотрим их ниже.

Отложения горячих растворов

В разделе "Тайны подземных сфер" мы рассказали о том, как были открыты гидротермальные пещеры. В них обнаружен ряд обычных и специфических минералов, общее количество которых быстро увеличивается и к концу 90-х гг. превысило 30. В ряде случаев температура образования гидротермальных минералов подтверждена методом гомогенизации включений. Иногда находки тех или иных минералов являются "сигналом" о возможности образования пещеры горячими растворами. В их числе находятся ангидрит (Дианы, Румыния), анкерит (полости, вскрытые угольными шахтами Донбасса, Украина), арагонит (Збрашовская, Чехия, ряд пещер Средней Азии), барит (Баритовая, Киргизия), гематит (Винд, США), кварц, киноварь, рутил (Магиан, Таджикистан) и пр. К гидротермальным образованиям А. Е. Ферсман относил и некоторые разности зональных отложений кальцита - мраморные ониксы, в погоне за которыми уничтожено натечное убранство многих красивейших пещер...

Гидротермальные образования имеют не только специфический состав, но и формы выделения. Среди них часты хорошо ограненные кристаллы, одиночные или нарастающие друг на друга кристаллы (исландский шпат из пещер Крыма). И. Кунски описал "гейзермиты", растущие при поступлении гидротермальных растворов снизу. А по одной из гипотез, с гидротермальными растворами связано образование пересекающихся перегородок - боксворк - на стенах пещеры Винд (США).

Изучение гидротермальных минералов связывает спелеологию с учением о месторождениях полезных ископаемых. Известны карстовые месторождения свинца и цинка, сурьмы и ртути, урана и золота, бария и целестина, исландского шпата и бокситов, никеля и марганца, железа и серы, малахита и алмазов /17/. Это специальная, очень сложная тема, требующая особого рассмотрения.

9.8. Краски подземного мира

Первую попытку связать между собой природу минералов с их цветом предпринял А. Е. Ферсман. Работая в основном в пещерах карбонатного карста, он обратил внимание на их светлую цветовую гамму - от белого льда пещер Крыма до желтых и кирпично-красных натеков Тюя-Муюна.

Спустя 60 лет после работ Александра Евгеньевича мы знаем много больше о цвете минералов пещер. Он зависит от наличия ионов металлов, степени окисленности и гидратированности их соединений, наличия механических примесей и органического материала /36/. Железо и его окислы определяют красную, оранжевую и желтую, буро-коричневую и палевую окраску минералов; марганец - синюю; медь - зеленую, синюю (сине-зеленую), серо-желтую; никель - бледно-зеленую и лимонно-желтую; примесь глины - красную, оранжево-коричневую и желто-коричневую; органические вещества, гуано летучих мышей, гуминовые фульвокислоты - красную, оранжевую, желтую, синюю, красно-коричневую, коричневую, янтарную окраску. Ахроматические тона (белый, светло-серый, серый) имеют лед и ряд минералов, содержащих примесь марганца.

Все эти цвета по-разному распределяются на поверхности натеков, образуя четкие слои или намечая причудливые контуры, не подчиняющиеся силе тяжести. Большую роль в восприятии цвета имеет "фактура" поверхности. Совершенно по-разному смотрятся коренные породы на свежем изломе или покрытые тонкой железисто-марганцевой корочкой, сухие и смоченные водой.

Особую прелесть придает натекам умелая полировка, вскрывающая их внутреннее строение (рис. 64). Наконец, немалую роль играет сила света и характер освещения. Одно - осматривать пещеру при свете стеариновой свечи; другое - при факелах; третье - при электрическом освещении. В этом отношении пещеры изменчивы, как Протей...

Меняет цвет и лед. Покрывая тонким слоем стены колодцев, он почти бесцветен, и через него "проступает" цвет камня или натека. Чем толще слой льда, тем менее он прозрачен и постепенно приобретает собственный, голубовато-белый или белый оттенок.

В Силицкой пещере (Словакия) известны ледяные натеки красного цвета (за счет примеси глинистых частиц). Если вода замерзает медленно, то лед более прозрачный; если быстро - то зажатые пузырьки воздуха определяют молочный оттенок льда...

Цвет стен и натеков в значительной мере определяет ощущения человека. Часто окраска предупреждает: "осторожно! здесь произошел свежий обвал"; "здесь - зона затопления в паводок"; "здесь - падают камни"...

Резкие изменения цветовой гаммы пещер настораживают, создают приподнятое или, напротив, гнетущее настроение. Недаром в некоторых из них (Аптелек, Венгрия) дают концерты цветомузыки.

Выше мы уже говорили о флюоресценции натеков. Цвет их свечения обычно оранжево-красный, бледно-зеленый, желто-зеленый, голубовато-зеленый, бледно-голубой, фиолетово-синий, фиолетовый. Связан он с наличием микропримесей меди, цинка, стронция, марганца. Наличие ионов железа, напротив, "тушит" свечение. Отчего же оно происходит? Энергия излучается и поглощается порциями - квантами. Когда атом вещества поглощает квант света, его электрон "перескакивает" на более высокий энергетический уровень - орбиту, более далекую от ядра. Но такое возбужденное состояние неустойчиво: электроны стремятся занять положение, где их энергия будет наименьшей. Поэтому рано или поздно этот атом возвращается в нормальное состояние, "срываясь" на прежний уровень и возвращая разницу энергий в виде кванта света. Время, которое электрон проводит в возбужденном состоянии, и есть длительность послесвечения. В пещерах она аномально велика и достигает 2-6 секунд (обычно около 0,015 секунды...). Причина этого явления еще не выяснена, но это не мешает нам любоваться натеками, сперва как бы наливающимися изнутри прохладным цветным огнем, который обрисовывает их причудливые очертания и медленно меркнет...