Подземные ландшафты
Пещеры – это сложные подземные природные комплексы, особые географические подземные ландшафты (Семенов-Тян-Шанский, 1928; Гвоздецкий, 1954; Гергедава, 1968, 1973), развитые в земной коре и ограниченные естественными рубежами подземных полостей.
Подземные природные комплексы тесно связаны с наземными. Между ними осуществляется постоянный обмен минеральными и органическими веществами, Важную роль в этом играют поступающие в пещеры карстовые воды и циркуляция воздуха.
Изучение подземных ландшафтов и отдельных их компонентов позволяет с наибольшей глубиной восстановить историю эволюции современных природных комплексов.
Морфология пещер
Набор и своеобразие компонентов подземных ландшафтов в значительной мере определяются морфологией пещер. Характерной особенностью морфологического строения пещер является чередование относительно узких и низких проходов с широкими и высокими гротами.
Последние обычно приурочены к участкам наибольшей тектонической трещиноватости и к местам развития химически чистых карстующих пород. В отдельных случаях гроты достигают громадных размеров.
Так, например, площадь пола грота Грузинских Спелеологов Анакопийской пещеры составляет 10 635 м2
. Морфологические особенности подземных гротов и соединяющих их ходов в значительной мере определяются тектонической и литогенетической трещиноватостью горных пород, которая обусловливает форму поперечного сечения и рисунок планового расположения карстовых полостей.
Связь планового изображения пещер с системами тектонической трещиноватости особенно хорошо иллюстрируется на примере Оптимистической, Озерной, Крывченской, Худугунской и многих других пещер.
Существенное влияние на своеобразие подземных форм нередко оказывают литология и гидрологические условия. Для многих пещер характерны органные трубы, мешкообразные ходы, эллипсовидные углубления и карры.
Органные трубы
Органные трубы, или камины, – это вертикальные колодцеобразные полости, расширенные в нижней части и суженные вверху. Они являются обычно продолжением понор, развитых на дне воронок, расположенных на поверхности карстующегося массива.
Диаметр органных труб изменяется от 0,2 до 6 м и более. Под ними почти всегда находятся земляные осыпи. Особенно широко распространены органные трубы в Кунгурской ледяной пещере. Здесь их насчитывается 31. В некоторых пещерах органные трубы прорезают всю кровлю, и через них проникает дневной свет.
Сущность коррозии смешивания впервые была объяснена советскими исследователями А. Н. Бунеевым и Ф. Ф. Лаптевым, которые доказали резкое увеличение агрессивности подземных вод, содержащих углекислоту при их смешивании.
Этот процесс имеет важное значение для развития глубинных карстовых форм на участках пересечения тектонических и литогенетических трещин. С ним связаны своеобразные эллиптические ходы, мешкообразные ходы и полости коррозионного размыва.
Последние формы отмечены, например, в Наволишенской пещере, расположенной в долине реки Хосты на Кавказе.
Карры как подземные ландшафты
Большой интерес представляют карры на потолке и стенах пещер. Они связаны с выщелачиванием карстующихся пород инфильтрационными и конденсационными водами. Карры имеют вид ячеек или бороздок, разделенных острыми гребешками.
Оригинальны колоколообразные карры, формирующиеся в потолке известняковых пещер. Эти формы, по мнению некоторых исследователей, являются результатом растворяющего действия агрессивных карстовых вод, находящихся под давлением.
Воздух и подземные ландшафты
Состав воздуха пещер изучен еще недостаточно. Однако проведенные исследования показали, что воздух пещер несколько отличается от атмосферного воздуха. Так, в большинстве исследованных пещер Крыма содержание углекислого газа оказалось 0,3–0,5%, т. е. в 10– 15 раз выше, чем в атмосферном воздухе.
В отдельных пещерах Крыма (шахты Бездонная, Ход Конем, Молодежная и Профсоюзная) концентрация углекислого газа в воздухе достигает 5–7%. Основным источником углекислоты в карстовых полостях являются инфильтрационные воды, которые обогащаются углекислотой при просачивании через почвенный покров.
Повышенное содержание углекислого газа связано также с протекающими в пещерах окислительными процессами (разложение органических веществ). Кроме того, в воздухе карстовых полостей Горного Крыма отмечается повышенное содержание азота, что может быть объяснено подтоком в них сухих струй газа азотно-углекислого, а иногда азотно-метанового состава из глубинных частей Земли в зонах крупных тектонических нарушений.
Температура воздуха карстовых пещер изменяется в значительных пределах, хотя преобладает низкая положительная температура. Температура воздуха пещер зависит от их морфологических особенностей, размеров, глубины залегания, положения входа к господствующим ветрам и климатических условий территории.
Если пещера небольшая и обмен воздуха в ней происходит непрерывно, то температура воздуха пещеры почти не отличается от температуры наружного воздуха. В слепых наклонных подземных ландшафтах, полости которых находятся выше входа, всегда наблюдаются высокие температуры воздуха, а если ниже, то низкие, поскольку здесь застаивается холодный воздух.
На температуру воздуха вертикальных полостей существенно влияют размеры входа и их морфологическое строение. В колодцах с широким входом и прямым стволом воздух всегда холоднее, чем в полостях такой же глубины, но имеющих узкий вход и несколько уступов.
Влияние морфологического строения на температурный режим подземных полостей хорошо иллюстрируется на примере Серпиевской пещеры (длина 170 м), расположенной на западном склоне Южного Урала.
При температуре наружного воздуха 22°,5 в ближней части пещеры, характеризующейся некоторым понижением дна, отмечена температура воздуха 2°, в средней (наиболее низкой) – 2°, а в дальней, где пол резко поднимается вверх, 12°. Таким образом, на расстоянии 85 м в связи с морфологическими особенностями строения пещеры температура воздуха изменяется на 14° (от –2 до 12°).
Крупные пещеры по температурному режиму подразделяются обычно на две части. В привходовой части температура воздуха в течение года подвержена значительным колебаниям. Дальние же части пещеры характеризуются сравнительно постоянной температурой воздуха в разные сезоны года.
Интересна в этом отношении Кунгурская ледяная пещера. В ближних гротах ее температура изменяется от–17 до 1°, что вызывает появление здесь ледяных образований, сохраняющихся круглый год. В большей части пещеры отмечается постоянная температура воздуха 4,8–5°.
По особенностям температурного режима карстовые пещеры подразделяются на теплые (температура воздуха в этих пещерах выше среднегодовой данной местности), умеренные (температура воздуха равна среднегодовой) и холодные (температура воздуха ниже среднегодовой температуры поверхности).
Пещеры характеризуются высокой относительной влажностью воздуха, которая обычно составляет 98–100 %. Влажность воздуха подвержена сезонным колебаниям.
Так, в Бриллиантовом гроте Кунгурской ледяной пещеры влажность воздуха осенью составляет всего 67%, тогда как зимой она поднимается до 95 %. Уже давно было подмечено, что между подземным и наружным воздухом существует постоянный обмен.
Исследования, проведенные в Крымских пещерах, показали, что скорость воздухообмена в подземных полостях Крыма изменяется от одного раза в пять дней (в пещерах со снегом) до 157 раз в сутки (в узких трещиннообразных шахтах), причем средняя интенсивность воздухообмена для всей главной гряды Крымских гор составляет 14 раз в сутки.
Следовательно, воздух в течение суток возобновляется многократно. Скорость и направленность воздушного потока пещер определяются различиями в плотности наружного и подземного воздуха, а также особенностями морфологического строения полостей.
Важную роль играют также карстовые реки, увлекающие за собой воздух при инфлюации в подземные полости, и наружный ветер. Для горизонтальных карстовых пещер характерно сезонное изменение в циркуляции воздушного потока. Зимой, когда температура наружного воздуха значительно ниже температуры подземного, наблюдается движение холодного воздуха внутрь пещеры.
При этом более теплый пещерный воздух по трещинам и органным трубам вытесняется из пещеры. При выходе на поверхность Земли на морозе он превращается в ледяные кристаллы, образуя струю «морозного тумана».
В теплое время года, наоборот, холодный подземный воздух выходит из нижних горизонтальных галерей наружу, при этом по вертикальным полостям и трещинам в пещеру поступает более теплый наружный воздух, который в подземных галереях постепенно охлаждается, определяя высокую влажность воздуха, достигающую иногда 100%.
При конденсации водяных паров выделяется значительное количество тепла, что обусловливает повышение температуры воздуха пещер. Скорость воздушного потока определяется разностью температур между наружным и пещерным воздухом.
Весной и осенью, когда температура наружного и подземного воздуха примерно одинакова, движение воздуха в пещерах сильно ослабевает, а иногда на непродолжительный период (7–14 дней) вообще прекращается.
В Кунгурской ледяной пещере воздух движется в среднем 182 дня в пещеру и около 170 дней – из пещеры. В середине апреля и в начале октября в течение 7–10 дней движение воздуха отсутствует.
Наклонные пещеры характеризуются иными условиями циркуляции воздуха. Наклонные пещеры, замкнутый конец которых находится выше входа, являются теплыми. Летом теплый воздух движется в пещеру и нагревает ее, а зимой движение воздуха в пещере отсутствует, поскольку холодный более плотный воздух не может подняться вверх и вытеснить более теплый пещерный воздух.
Напротив, наклонные, мешкообразные пещеры, идущие вниз от входа, холодные. В зимнее время года, когда холодный воздух полностью вытесняет теплый воздух, они сильно переохлаждаются. Летом движение воздуха в них прекращается, так как теплый воздух не может попасть в пещеру.
Аналогичные условия создаются и в вертикальных пещерах – шахтах. Таким образом, движение воздуха в пещере, определяемое разностью в плотности наружного и подземного воздуха, обусловливается особенностями морфологического строения пещеры.
Мы рассмотрели лишь наиболее типичные случаи. Разумеется, существует много других вариантов. В крупных сложно построенных пещерах отдельные части могут характеризоваться своим, резко отличным от соседних, типом циркуляции.
В этой связи на основе учета динамики воздуха в крупных пещерах выделяются динамические и статические микроклиматические зоны. Наряду с сезонными колебаниями наблюдаются и суточные.
Так, скорость воздушного потока у входа в Кунгурскую пещеру в июле ночью составляет 2,2, а днем – 5,1 м/сек, что связано с изменением температуры наружного воздуха.
Скорость движения воздушного потока в вертикальных пещерах невелика. Так, в небольшой по величине шахте Крыма средняя скорость его, по данным В. Н. Дублянского и В. В. Илюхина (1971), составляет всего 0,006 м/сек. Таким образом, подземные ландшафты бывают самые разнообразные.
Пещеры по особенностям изменения микроклимата подразделяются на три основных типа:
- динамические (характеризующиеся резкими изменениями метеорологических компонентов в течение коротких интервалов времени),
- статодинамические,
- статические (отличающиеся постоянством климатических условий на протяжении длительного времени).