Пещера - полость в верхней части земной коры, сообщающаяся с поверхностью одним или несколькими входными отверстиями. Другое определение: пещера - естественная подземная полость, доступная для проникновения человека, имеющая не освещенные солнечным светом части и длину (глубину) больше, чем два других измерения. Наиболее крупные пещеры - сложные системы проходов и залов, нередко суммарной протяженностью до нескольких десятков километров. Пещеры - объект изучения спелеологии. Немалый вклад в изучение пещер делают спелеотуристы.
Пещеры по их происхождению можно разделить на пять групп: тектонические, эрозионные, ледовые, вулканические и, наконец, самая большая группа - карстовые. Пещеры в привходовой части, при подходящих морфологии (горизонтальный просторный вход) и расположении (близко к воде) использовались древними людьми в качестве удобных жилищ.
Пещеры по происхождению
Карстовые пещеры
Таких пещер большинство. Именно карстовые пещеры имеют наибольшую протяжённость и глубину. Карстовые пещеры образуются вследствие растворения пород водой, поэтому они встречаются только там, где залегают растворимые породы: известняк, мрамор, доломит, мел, а также гипс и соль. Известняк, а тем более мрамор, растворяется чистой дистиллированной водой очень плохо. В несколько раз растворимость повышается, если в воде присутствует растворённый углекислый газ (а он всегда присутствует в природной воде), однако всё равно известняк растворяется слабо по сравнению, скажем, с гипсом или, тем более, солью. Но оказывается, что это положительно сказывается на образовании протяжённых пещер, поскольку гипсовые и соляные пещеры не только быстро образуются, но и быстро разрушаются.
Огромную роль при образовании пещер играют тектонические трещины и разломы. По картам исследованных пещер очень часто можно видеть, что ходы приурочены к тектоническим нарушениям, которые прослеживаются на поверхности. Также, для образования пещеры необходимо достаточное количество водных осадков, удачная форма рельефа : осадки с большой площади должны попадать в пещеру, вход в пещеру должен располагаться заметно выше того места, куда разгружаются подземные воды, и т. п.
Множество карстовых пещер представляют собой реликтовые системы: водный поток, образовавший пещеру, ушёл из неё вследствие изменения рельефа либо на более глубокие уровни (из-за понижения локального базиса эрозии - дна соседствующих речных долин), либо перестал попадать в пещеру из-за изменения поверхностного водосбора, после чего пещера проходит различные фазы старения. Очень часто изученные пещеры представляют собой маленькие фрагменты древней пещерной системы, вскрытые разрушением вмещающих горных массивов.
Эволюция карстовых процессов и их химизм таковы, что часто вода, растворив минеральные вещества горных пород (карбонаты, сульфаты), через некоторое время откладывает их на сводах и стенах пещер в виде массивных кор толщиной до метра и более (пещерный мраморный оникс) или особенных для каждой пещеры ансамблей минеральных агрегатов пещер, образуя сталактиты, сталагмиты, геликтиты, драпировки и иные специфические карстовые минеральные формы - натёчные образования.
В последнее время всё больше пещер открывается в породах, традиционно считавшихся некарстующимися. Например, в песчаниках и кварцитах столовых гор тепуи Южной Америки были открыты пещеры Абисмо Гай Коллет глубиной −671 м (2006 г), Куэва Охос де Кристал (Cueva Ojos de Cristal) протяжённостью 16 км (2009 г). По всей видимости, эти пещеры имеют также карстовое происхождение. В жарком тропическом климате при определённых условиях кварцит может растворяться водой.
Другим экзотическим примером образования карстовых пещер может служить очень протяжённая и глубочайшая в материковой части США пещера Лечугия (и другие пещеры Карлсбадского национального парка). По современной гипотезе, она образовалась растворением известняков восходящими термальными водами, насыщенными серной кислотой.
Тектонические пещеры
Такие пещеры могут возникать в любых породах в результате образования тектонических разломов. Как правило, такие пещеры встречаются в бортах глубоко врезанных в плоскогорье речных долин, когда огромные массивы породы откалываются от бортов, образуя трещины отседания (шерлопы). Трещины отседания обычно с глубиной сходятся клином. Чаще всего они заваливаются рыхлыми отложениями с поверхности массива, но иногда образуют довольно глубокие вертикальные пещеры глубиной до 100 м. Шерлопы широко распространены в Восточной Сибири. Изучены они сравнительно слабо и, вероятно, встречаются весьма часто.
Эрозионные пещеры
Пещеры, образуемые в нерастворимых породах за счёт механической эрозии, то есть проработанные водой, содержащей крупинки твёрдого материала. Часто такие пещеры образуются на берегу моря под действием прибоя, но они невелики. Однако, возможно образование и пещер, проработанных по первичным тектоническим трещинам уходящими под землю ручьями. Известны довольно крупные (сотни метров длиной) эрозионные пещеры, образованные в песчаниках и даже гранитах. Примерами крупных эрозионных пещер могут быть T.S.O.D. (Touchy Sword of Damocles) Cave в габбро (4 км/−51 м, Нью-Йорк), Bat Cave в гнейсах (1.7 км, Северная Каролина), Upper Millerton Lake Cave в гранитах (Калифорния).
Ледниковые пещеры
Пещеры, образуемые в теле ледников талой водой. Такие пещеры встречаются на многих ледниках. Талые ледниковые воды поглощаются телом ледника по крупным трещинам или на пересечении трещин, образуя ходы, иногда проходимые для человека. Длина таких пещер может составлять несколько сот метров, глубина - до 100 м и более. В 1993 г. в Гренландии был обнаружен и исследован гигантский ледниковый колодец «Изортог» глубиной 173 м, приток воды летом в него составлял 30 м³ и более.
Ещё один тип ледниковых пещер - пещеры, образуемые в леднике в месте выхода внутриледниковых и подледниковых вод на краю ледников. Талые воды в таких пещерах могут течь как по ложу ледника, так и по ледниковому льду.
Особый тип ледниковых пещер - пещеры, образуемые в ледниках в месте выхода расположенных под ледником подземных термальных вод. Горячая вода способна проделывать объёмные галереи, однако такие пещеры залегают не в самом леднике, а под ним, поскольку лёд проплавляется снизу. Термальные ледниковые пещеры встречаются в Исландии, Гренландии и достигают значительных размеров.
Вулканические пещеры
Эти пещеры возникают при извержениях вулканов. Поток лавы, остывая, покрывается твёрдой коркой, образуя лавовую трубку, внутри которой по-прежнему течёт расплавленная порода. После того как извержение уже, фактически, закончилось, лава вытекает из трубки с нижнего конца, а внутри трубки остаётся полость. Понятно, что лавовые пещеры залегают на самой поверхности, и часто кровля обваливается. Однако, как оказалось, лавовые пещеры могут достигать очень больших размеров, вплоть до 65.6 км длины и 1100 м глубины (пещера Казумура, Гавайские острова).
Кроме лавовых трубок существуют вертикальные вулканические пещеры - жерла вулканов.
Пещеры по типу вмещающих пород
Самая протяжённая в мире Мамонтова пещера (США) - карстовая, заложена в известняках. Она имеет суммарную протяжённость ходов более 600 км. Самая протяжённая пещера России - пещера Ботовская, свыше 60 км длиной, заложена в относительно тонком пласте известняков, зажатом между песчаников, находится в Иркутской области, бассейн р. Лены. Немного уступает ей Большая Орешная - длиннейшая в мире карстовая пещера в конгломератах в Красноярском крае. Самая протяжённая пещера в гипсах - Оптимистическая, на Украине, протяжённостью более 230 км. Образование таких протяжённых пещер в гипсах связано с особым расположением пород: пласты гипса, вмещающие пещеру, перекрыты сверху известняками, за счёт чего своды не обрушиваются. Известны пещеры в каменной соли, в ледниках, в застывшей лаве и т. п.
Пещеры по размерам
Самые глубокие пещеры планеты тоже карстовые: Крубера-Воронья (до −2196 м), Снежная (−1753 м) в Абхазии. В России глубже всех пещера Горло Барлога (−900 м) в Карачаево-Черкесии. Все эти рекорды непрерывно меняются, неизменно лишь одно: лидируют карстовые пещеры.
Самые глубокие пещеры мира
Глубиной пещеры называют разность высот между входом (самым верхним из входов, если их несколько) и самой нижней точкой пещеры. Если в пещере существуют ходы, расположенные выше входа, используют понятие амплитуды - разность уровней между низшей и высшей точкой пещеры. Согласно оценкам, максимальная глубина залегания ходов пещер под поверхностью (не путать с глубиной пещеры!) может составлять не более 3000 метров: глубже любую пещеру раздавит вес вышележащих горных пород. Для карстовых пещер максимальная глубина залегания определяется базисом карстования (нижним пределом карстовых процессов, совпадающим с основанием толщи известняка), который может быть ниже базиса эрозии благодаря наличию сифонных каналов. Самой глубокой пещерой, в настоящее время является пещера Крубера-Воронья глубиной 2196 м, это первая и единственная пещера, перешагнувшая рубеж в 2 км. Первой обследованной пещерой глубиной более 1000 метров стала французская пропасть Берже, считавшаяся самой глубокой в мире с открытия в 1953 году до 1963 года.
|
Глубина, м |
Местоположение |
|||
| 1 | Крубера-Воронья | |||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 |
Лампрехтсофен |
|||
| 5 |
Мирольда |
|||
| 6 |
Жан-Бернар |
|||
| 7 |
Торка-дель-Серро |
|||
| 8 |
Пантюхинская |
|||
| 9 |
Сима де ла Корниза |
|||
| 10 |
Словения |
Самые протяжённые пещеры мира
|
Глубина, м |
Местоположение |
|||
| 1 |
Мамонтова |
|||
| 2 | ||||
| 3 |
Окс-Бель-Ха |
|||
| 4 |
Оптимистическая |
|||
| 5 | ||||
| 6 | ||||
| 7 |
Сак-Актун |
|||
| 8 |
Швейцария |
|||
| 9 |
Фишер-Ридж |
|||
| 10 |
Гуа-Эир-Джерних |
Малайзия |
Содержимое пещер
Спелеофауна
Хотя живой мир пещер, как правило, не очень богат (исключая привходовую часть, куда попадает солнечный свет), тем не менее, некоторые животные обитают именно в пещерах или даже только в пещерах. Прежде всего, это летучие мыши, многие их виды используют пещеры как ежедневное укрытие или для зимовки. Причём летучие мыши залетают подчас в весьма удалённые и труднодоступные уголки, прекрасно ориентируясь в узких лабиринтовых ходах.
Помимо летучих мышей, в некоторых пещерах в районах с тёплым климатом обитают несколько видов насекомых, пауки (Neoleptoneta myopica), креветки (Palaemonias alabamae) и другие ракообразные, саламандры и рыбы (Amblyopsidae). Пещерные виды адаптируются к полной темноте, причем многие из них утрачивают органы зрения и пигментацию. Зачастую эти виды очень редкие, многие из них эндемики.
Археологические находки
Первобытные люди использовали пещеры по всему миру в качестве жилища. Ещё чаще в пещерах селились животные. Множество животных погибло в пещерах-ловушках, начинающихся с отвесных колодцев. Крайне медленная эволюция пещер, постоянный их климат, защищённость от внешнего мира сохранили до нас огромное количество археологических находок. Это пыльца ископаемых растений, кости давно вымерших животных (пещерный медведь, пещерная гиена, мамонт, шерстистый носорог), наскальные рисунки древних людей (пещеры Капова на Южном Урале, Дивья на Северном Урале, Тузуксу в Кузнецком Алатау, Ниах-Кейвз в Малайзии), орудия их труда (пп. Страшная, Окладникова, Каминная на Алтае), человеческие останки разных культур, в том числе неандертальцев, возрастом до 50-200 тысяч лет (пещера Тешик-Таш в Узбекистане, Денисова пещера на Алтае, Кро-Маньон во Франции и многие другие).
Пещеры, возможно, играли роль современных кинотеатров.
Вода в пещерах
Вода, как правило, находится во многих пещерах, а карстовые пещеры обязаны ей своим происхождением. В пещерах можно встретить конденсатные плёнки, капель, ручьи и реки, озёра и водопады. Сифоны в пещерах существенно усложняют прохождение, требуют специального снаряжения и особой подготовки. Нередко встречаются подводные пещеры. В привходовых участках пещер вода часто присутствует в замёрзшем состоянии, в виде ледяных отложений, часто очень значительных и многолетних.
Воздух в пещерах
В большинстве пещер воздух пригоден для дыхания вследствие естественной циркуляции, хотя встречаются пещеры, в которых находиться можно только в противогазах. Например, воздух могут отравить залежи гуано. Однако в подавляющем большинстве природных пещер воздухообмен с поверхностью достаточно интенсивен. Причинами движения воздуха чаще всего служит разность температур в пещере и на поверхности, поэтому направление и интенсивность циркуляции зависят от времени года и погодных условий. В крупных полостях движение воздуха столь интенсивно, что превращается в ветер. По этой причине тяга воздуха является одним из важных признаков при поиске новых пещер.
Отложения пещер
Различают механические (глина, песок, галька, глыбы) и хемогенные отложения (сталактиты, сталагмиты и т. п.). В пещерных системах с активным водотоком, как правило, механические отложения представлены в виде глыбовых завалов, часто очень больших объёмов, образующихся вследствие обрушения свода ходов, которые образует растворением поток воды. Завалы представляют сложность для прохождения, и опасность, поскольку равновесие глыбового завала часто неустойчивое. Глиняные отложения широко представлены в галереях, которые покинул активный водоток, выносивший механически нерастворимые частички породы. В известняке, вмещающем пещеру, растворимым компонентом является карбонат кальция, который составляет, зачастую, всего около 50 % породы. Остальные минералы, как правило, нерастворимы, и если вода, растворяющая породу, представлена в виде капели, инфильтрата, с малым расходом воды, неспособным обеспечить механический перенос частиц, начинается накопление глиняных отложений. Очень часто древние проходы полностью перекрываются глиной.
Хемогенные отложения (натёчные образования) также обычно украшают древние галереи пещеры, где вода, медленно фильтруясь по трещинам в известняке, насыщается карбонатом кальция, а при попадании её в полости пещеры, из-за небольшого изменения парциального давления водяного пара при отрыве капли, или при падении её на пол, или при возникновении турбулентности при стекании, из насыщенного раствора происходит кристаллизация карбоната кальция в виде кальцита.
Экскурсионные пещеры
Некоторые пещеры оборудованы для посещения экскурсионными группами (т. н. showcaves). Для этого в части пещеры, наиболее просторной и богатой натёчными образованиями, прокладывают пешеходные дорожки, лесенки, мостики, создаётся электрическое освещение; в некоторых случаях, если входная часть пещеры представляет собой технически сложный участок, пробиваются тоннели. На территории бывшего СССР наиболее известны пещеры Мраморная в Крыму, Кунгурская на Урале, Новоафонская в Абхазии.
Пещеры в Солнечной системе
Кроме Земли, пещеры обнаружены на Луне и Марсе. По всей видимости, это вулканические пещеры, древние следы вулканической деятельности.
Искусственные пещеры
Пещеры - подземелья индустриального мира
Под любым крупным городом располагается система подземелий технического назначения: подвалы наземных зданий, метро, система жизнеобеспечения (водопровод, отопление, канализация, электрические и телефонные кабели, оптоволоконная сеть), бомбоубежища, бункеры на случай войны и прочее.
Пещера - как жилище святых аскетов
В пещерах обустраивали жилище многие святые аскеты. Позднее на этих местах основывались монастыри и Лавры:
- Киево-Печерская лавра
- Псково-Печерский монастырь
- Свято-Успенский пещерный монастырь (Крым)
- Холковский монастырь
- Челтер-Коба
- Басарбовский монастырь
- Пещерные церкви в Иваново
Святые аскеты, которые жили в пещерах:
- «И вышел Лот из Сигора и стал жить в горе, и с ним две дочери его, ибо он боялся жить в Сигоре. И жил в пещере, и с ним две дочери его» (Бытие 19.30)
- «И вошел он Пророк Илия там в пещеру и ночевал в ней» (Третья книга Царств 19.9)
- Иларион Киевский
- Антоний Печерский
- Варлаам Печерский
Пещеры-дома
Многие народы устраивали жилища в пещерах, так как их было легко поддерживать в чистоте и сохранять постоянную температуру в течение всего года.
- Каппадокия
- Анасази
- Гуадис
- Сасси Ди Матера
Пещеры лечебные
Во многих лечебных учреждениях работают кабинеты под названием «соляные пещеры». Стены в них выложены кирпичами калийной соли, и пациенты проводят в них некоторое время, слушая музыку и получая лечебный эффект.
Пещеры развлекательные
Известны пещеры ужасов в составе луна-парков, кафе и бары, отделанные под пещеру.
Пещеры в мифологии, мистике и религии.
О символическом и мистическом значении пещер писал В. Г. Иванченко в своей статье «Знак пещеры», опубликованной в журнале «Ориентация».
Пещеры в искусстве, литературе и кинематографии
Пещеры фигурируют во многих фантастических произведениях (причем, как в фэнтези, так и в научной фантастике). Пещеры (точнее бункеры) в научной фантастике в основном выполняют роль убежищ после глобальной катастрофы, сделавшей невозможной жизнь на поверхности. А также пещеры в фэнтези населенны: гномами, кобольдами, гоблинами, драконами, а в русских народных сказках там живет «Хозяйка медной горы», Змей горыныч. В северной мифологии в пещерах живут Сиртя. Одним из самых известных литературных героев, которые попали в пещеры были: Том Сойер вместе с Бекки Тэтчер, Бильбо Бэгинс.
Подземные полости
Помимо пещер, имеющих выход на поверхность и доступных для непосредственного изучения человеком, в земной коре существуют замкнутые подземные полости. Самая глубокая подземная полость (2952 метра) была обнаружена бурением на побережье Кубы. В Родопских горах подземная полость была обнаружена на глубине 2400 метров при бурении. На Черноморском побережье в Гаграх бурением были обнаружены подземные пустоты на глубине до 2300 метров.
(Visited 402 times, 1 visits today)
Московский Государственный Институт Стали и Сплавов
Выксунский Филиал
(Технологический университет)
Реферат по предмету
кристаллофизика
На тему: «Образование пещер и карстов»
Студент: Пичугин А.А..
Группы:МО-07 (МЧМ)
Преподаватель:Лопатин Д.В.
Москва 2008
I. Общие сведения о пещерах и карстов
II. Гипотеза о происхождении карстовых районов
III. Условия образования пещер
IV. Типы пещер:
1. Карстовые пещеры
2. Тектонические пещеры
3. Эрозионные пещеры
4. Ледниковые пещеры
5. Лавовая пещера
V. Пещеры на территории Прибайкалья
VI. Пещера Кызылъяровская им. Г.А. Максимовича.
Общие сведения о пещерах и карстов
Карст (от нем. Karst, по названию известнякового альпийского плато Крас в Словении), - совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью).
Наиболее характерны для карста отрицательные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяются следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карстовые овраги, долины, полья, карстовые пещеры, подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимы следующие условия: а) наличие ровной или слабо наклонной поверхности, чтобы вода могла застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам; б) толща карстующихся пород должна иметь значительную мощность; в) уровень подземных вод должен стоять низко, чтобы было достаточное пространство для вертикального движения подземных вод.
По глубине уровня подземных вод различают карст глубокий и мелкий. Различают также «голый», или средиземноморский карст, у которого карстовые формы рельефа лишены почвенного и растительного покрова (например, Горный Крым), и «покрытый» или среднеевропейский карст, на поверхности которого сохраняется кора выветривания и развит почвенный и растительный покров.
Карст характеризуется комплексом поверхностных (воронки, карры, желоба, котловины, каверны и др.) и подземных (карстовые пещеры, галереи, полости, ходы) форм рельефа. Переходные между поверхностными и подземными формами - неглубокие (до 20 м) карстовые колодцы, естественные туннели, шахты или провалы. Карстовые воронки или иные элементы поверхностного карста, через которые в карстовую систему уходят поверхностные воды, называются поноры.
КАРСТ, известняковые плато - комплекс неровностей, выпуклых выходов горных пород, впадин, пещер, исчезнувших потоков и подземных стоков. Возникает в растворимых водой и выветриваемых горных породах. Процесс типичен для известняка, а также для тех мест, где вымываются горные породы. Много рек находится под землей, там же существует много пещер и крупных каверн. Самые крупные пещеры могут разрушиться и образовать ущелье или теснину. Постепенно весь известняк может быть вымыт. Явление названо по названию плато «Карст» в бывшей Югославии. Характерные карстовые системы широко представлены в Крымских горах и на Урале.
Карст можно наблюдать в Западных Альпах, в Аппалачах (США) и на юге Китая потому, что пласты известняковых пород, сначала состоявшие из слоя кальцита (углекислого кальция), толщиной до 200 м, который был частично размыт водой. Углекислый газ из атмосферы растворялся в дожде и способствовал образованию слабой угольной кислоты, которая в свою очередь способствовала размыванию гор ных пород, особенно вдоль линий кливажа и пластов, увеличивая их до образования карстовых пещер, долин, возникших вследствие обрушения стенок пещер, которые при дальнейшем развитии процесса могут превратиться в ущелья, и, наконец, остаются характерные для карстового ландшафта останцы известняка, не подвергшегося эрозии.
Пещера - естественная полость в верхней толще земной коры, сообщающаяся с поверхностью земли одним или несколькими выходными отверстиями, проходимыми для человека. Наиболее крупные пещеры - сложные системы проходов и залов, нередко суммарной протяженностью до нескольких десятков километров. Пещеры - объект изучения спелеологии.
Можно разделить пещеры по их происхождению на пять групп. Это тектонические пещеры, эрозионные пещеры, ледовые пещеры, вулканические пещеры, и, наконец, самая большая группа, карстовые пещеры. Пещеры, в привходовой части, при подходящих морфологии (горизонтальный просторный вход) и расположении (близко к воде) использовались древними людьми в качестве удобных жилищ.
ГИПОТЕЗА О ПРОИСХОЖДЕНИИ КАРСТОВЫХ РАЙОНОВ
А именно, есть гипотеза, что:
В древние времена 300-400 млн лет назад в морской воде происходил процесс разрастания и отмирания живых организмов, интенсивно использующих для строительства своих оболочек кальций. Вода при этом представляла собой насыщенный раствор углекислого кальция. Отмершие оболочки опускались на дно и накапливались вместе с отложениями, выпадающими в осадок из раствора в результате климатических изменений;
За млн лет на дне пластами накапливалась известняковая масса;
Под давлением известняковый осадок менял структуру, превращаясь в лежащий горизонтальными пластами камень;
В момент подвижек земной коры море отходило, и бывшее дно становилось сушей;
Были возможны два сценария развития событий: 1) пласты оставались почти горизонтальными и неторнутыми (как под Москвой); 2) дно выпячивалось образуя горы, при этом целостность известняковых пластов нарушалась, в них образовывались многочисленные поперечные трещины и разломы. Так образовывался будущий карстовый район.
Эта гипотеза подтверждается находками остатков древних раковин и других бывших живых организмов в толще известняков. Как бы то ни было, очевидно, что пещеры и породы, где они образуются, тесно связаны с древней жизнью на Земле.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕЩЕР
Есть три основных условия образования карстовых пещер:
1. Наличие карстующихся пород.
2. Наличие процессов горообразования, подвижек земной коры в зоне распространения карстующихся пород, в результате - наличие трещин в толще массива.
3. Наличие агрессивных циркулирующих вод.
Без любого из этих условий образование пещер происходить не будет. Однако, на эти необходимые условия могут накладываться локальные особенности климата, строения рельефа, наличия других пород. Все это приводит к появлению пещер различного вида. Даже в одной пещере встречаются различные "составные" элементы, которые образуются по разному. Основные морфологические элементы карстовых пещер и их происхождение.
Морфологические элементы карстовых пещер:
Вертикальные пропасти, щахты и колодцы,
Горизонтально-наклонные пещеры, и меандры,
Лабиринты.
Эти элементы возникают в зависимости от вида нарушений в толще карстующегося массива.
Виды нарушений:
Разломы и сбросы, трещины:
Напластования,
На границе карстующейся и некарстующейся породы,
Тектонические (как правило, поперечные),
Так называемые трещины бокового отпора.
Схема образование вертикальных элементов пещер (колодцев, шахт, пропастей): Выщелачивание.
Колодцы образуются на пересечении тектонических трещин - в самом мехинически слабом месте массива. Туда поглощается вода атмосферных осадков. И медленно растворяет известняк; за миллионы лет вода расширяет трещины, превращая их в колодцы. Это зона вертикальной циркуляции подземных вод
Нивальные колодцы (с поверхности массива):
Зимой трещины забиваются снегом, затем он медленно тает, это - агрессивная вода, она интенсивно размывает и расширяет трещины, образуя колодцы с поверхности земли.
Образование горизонтально-наклонных ходов:
Вода, проникнув сквозь пласт (слой) карстующейся породы доходит до трещины напластования и начинает распространяться по ней вдоль плоскости "падения" пластов. Происходит процесс выщалачивания, образуется субгоризонтальный ход. Потом вода дойдет до очередного пересечения тектонических трещин и снова будет образовываться вертикальный колодец или уступ. Наконец, вода дойдет до границы карстующейся и некарстующейся пород и далее распространяться только вдоль этой границы. Обычно здесь уже течет подземная река, там есть сифоны. Это зона горизонтальной циркуляции подземных вод.
Образование залов.
Залы встречаются в зонах разломов - больших механических нарушениях массива. Залы - результат чередующихся процессов горообразования, выщелачивания, снова горообразования (землетрясения, обвалы).
Бывает, включаются дополнительны механизмы:
Механический вынос обломков породы потоками воды,
Действие напорных термальных вод (Новоафонская пещера).
Однажды летом я впервые оказался в пещере, причём в знаменитой пещере Петралона, расположенной на севере Греции. Эта пещера имеет огромное значение в области антропологии и палеонтологии, - именно здесь, как утверждают греческие учёные, найден скелет древнейшего в Европе человека-неандертальца, проживавшего в Европе более 700 тысяч лет назад. И с тех пор вопрос о колыбели человечества, где же всё-таки зародилось человечество, является спорным, несмотря на многочисленные исследования и собранные доказательства.
Но больше всего эта греческая пещера поразила меня своими размерами и красотой. Здесь я впервые увидел пещерное озеро, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты. Переходя из зала в зал этой пещеры, я думал, как же так получается, что сверху свисают «сосульки» - сталактиты. Почему они имеют такие причудливые формы и не тают? А снизу как деревья растут другие «сосульки» - сталагмиты. Из чего они вырастают, если вокруг камни? Почему не падают? Почему они и твёрдые, и хрупкие одновременно, а на ощупь мокрые? А что, если вырастить сталагмит или сталактит дома и украсить свою комнату? Или такая диковинка может быть полезной в быту?
Вернувшись домой, я решил исследовать этот вопрос. А начинать пришлось с изучения места «обитания» этих удивительных пещерных образований – с самих пещер. Оказалось и здесь много интересного и захватывающего. Первоначальное представление и информация у меня всё-таки были после посещения греческой пещеры. Наш гид очень интересно и подробно рассказывала о той пещере, в которой я был. Но как же рождаются сами пещеры? И почему именно в них, и нигде в другом месте, появляются сталактиты и сталагмиты? Из чего они всё-таки сделаны эти самые сталактиты?
В ходе своего исследования, чтобы решить поставленные задачи, мне предстояло изучить научные статьи и результаты спелеологических исследований. Спелеология - это наука, которая занимается изучением пещер. Кроме того, я решил провести эксперимент по выращиванию сталактита в домашних условиях.
А чтобы понять природу сталактитов и сталагмитов, для начала мне нужно было узнать всё о пещерах - что это такое и как они образуются? Нужную теоретическую информацию я нашёл в энциклопедиях и на сайтах в Интернете.
Пещеры. Их образование.
Пещера – естественная полость в верхней толще земной коры, которая сообщается с поверхностью земли одним или несколькими выходными отверстиями, проходимыми для человека. Наиболее крупные пещеры – это сложные системы проходов и залов, общая протяжённость которых нередко доходит до нескольких десятков километров. Пещеры – объект изучения спелеологии.
Пещеры издавна связаны с историей развития человечества. Ещё в каменную эпоху пещеры спасали людей от зимней стужи. Но и после того, как древние люди перестали использовать пещеры в качестве жилищ, пещеры окружал ореол необычного и странного. Греки верили, что пещеры были храмами их богов – Зевса, Пана, Дионисия и Плутона. В древнем Риме считали, что в пещерах обитают нимфы и колдуньи. Древние персы и другие народы полагали, что в пещерах обитает царь всех земных духов Митрас. В наши дни обширные и прекрасные пещеры привлекают туристов.
В природе не существует двух одинаковых пещер. Образуются пещеры по-разному. Однако все самые большие пещеры в мире образованы аналогично. Некоторые большие пещеры начали создаваться 60 миллионов лет назад. Лили дожди, разливались реки, и монолитные горы медленно разрушались, а внутри холмов, гор и скал возникали большие пустоты (Приложение 1).
Горная порода, в которой возникают пещеры – известняк. Это мягкая порода, она может растворяться слабой кислотой. Кислота, которая разрушает известняк, поступает из дождевой воды. Падающие капли дождя забирают углекислый газ из воздуха и почвы. Этот углекислый газ превращает воду в углекислоту.
Поэтому миллионы лет кислотные дожди поливали известняки. Они постоянно капали на горы, и на них начали появляться трещины. А дожди продолжали лить. Вода струилась, увеличивая трещины. Она находила новые щели в монолите. Трещины расширялись до тоннелей. Тоннели перекрещивались, возникали ниши. Через миллионы лет пещеры приняли свою форму. А вода делала пещеры всё больше и больше.
Некоторые пещеры имеют в потолке отверстия (Приложение 2). Они образовались на том месте, где когда-то скопилась вода, которая затем прорвалась в пещеру. В пещерах можно встретить ряды галерей, идущих одна над другой. По отдельным пещерам протекают потоки воды, в других – после их образования вода уходит вниз, и пещера высыхает.
Пещеры скрываются везде: в горах, просто в каменистой почве, сложенной из мягких горных пород. Пещеры строит не только вода, но и ветер, и морской прибой, и вулканическая лава. Остаются пещеры после добычи каменной соли. Бывают и ледниковые пещеры, только они недолговечны.
Виды пещер.
Пещеры можно разделить по их происхождению на пять групп. Это тектонические, морские, ледниковые, вулканические и, наконец, самая большая и распространённая группа, карстовые пещеры.
Тектонические пещеры могут возникать в любых породах в результате образования тектонических разломов. Как правило, такие пещеры встречаются в бортах глубоко врезанных в плоскогорье речных долин, когда огромные массивы породы откалываются от бортов, образуя трещины (шерлопы), которые в свою очередь обычно клином сходятся с глубиной. Иногда они образуют довольно глубокие вертикальные пещеры до 100 м глубиной. Такой вид пещер широко распространён в Восточной Сибири.
Морские пещеры возникли под воздействием плещущихся волн о каменные утёсы вдоль побережья (Приложение 3). Морские волны, содержащие крупинки твёрдого материала (гальки, мелкого песка) растворяли утёсы. Они разрушались, подтачиваемые из года в год морским прибоем. Отдельные пещеры расположены под водой. Они являются обычно результатом деятельности подземных вод, вымывающих мягкие породы, например, тот же известняк.
Ледниковые пещеры встречаются во многих ледниках и образуются внутри ледников талой водой (Приложение 4). Талые ледниковые воды поглощаются ледником по крупным трещинам или на пересечении трещин. При этом образуются хода, по которым иногда может пройти человек. Такие пещеры имеют форму колодца и глубиной доходят до 100 метров и более. В 1993 году был обнаружен и исследован гигантский ледниковый колодец «Изотрог» глубиной 173 метра.
Особый тип ледниковых пещер – это пещеры, образуемые в леднике в месте выхода подземных термальных вод. Поскольку вода горячая, она способна проделывать объёмные галереи. Расположены такие пещеры не в самом леднике, а под ним, так как лёд проплавляется снизу. Термальные ледниковые пещеры встречаются в Исландии, Гренландии и достигают значительных размеров.
Вулканические или лавовые пещеры возникают при извержениях вулканов (Приложение 5). Поток лавы, остывая, покрывается твёрдой коркой, образуя лавовую трубку, внутри которой по-прежнему течёт расплавленная порода. После того как извержение уже, фактически, закончилось, лава вытекает из трубки с нижнего конца, а внутри трубки остаётся полость. Понятно, что лавовые пещеры залегают на самой поверхности, и часто кровля обваливается.
Однако лавовые пещеры могут достигать очень больших размеров. Таких, например, как пещера Казумура на Гавайях – 65,6 км длиной и 1100 м глубиной. А самая большая вулканическая пещера мира Куэва-де-лое-Вердес находится на одном из Канарских островов.
Карстовые пещеры - таких пещер большинство (Приложение 6). Именно карстовые пещеры имеют наибольшую протяжённость и глубину.
Пещеры образуются вследствие растворения пород водой. Поэтому карстовые пещеры встречаются только там, где залегают растворимые породы: известняк, мрамор, мел, гипс и соль. Известняк, а тем более мрамор, растворяются чистой дистиллированной водой очень плохо. В несколько раз растворимость повышается, если в воде присутствует растворённый углекислый газ, а он в природе всегда растворён в воде. Однако всё равно известняк растворяется слабо, по сравнению, скажем, с гипсом или, тем более, солью. Но оказывается, что это положительно сказывается на образовании протяжённых пещер, поскольку гипсовые и соляные пещеры не только быстро образуются, но и быстро разрушаются.
Пещеры - это особый мир, не имеющий аналогов на поверхности. В пещерах нет ни зимы, ни лета. Температура всегда одинаковая. В холодных пещерах она колеблется от +2 до +8 градусов, а в тёплых и жарких - от +15 до +28.
Оказывается, воздух в пещерах стерильно чист. В нём в тысячу раз меньше микробов, чем на поверхности. Оказывается, вместе с подземными водами в пещеры проникают радиоактивные изотопы углерода. Они вызывают свечение сталактитов, ионизируют воздух, убивают микробов.
Самая длинная в мире пещера – Флинт-Мамонтова – находится в США, в штате Кентукки. Длина всех её коридоров составляет более 550 километров. А самая глубокая пещера находится в Абхазии – пещера Крубера-Воронья. В неё человек может спуститься на 2 километра.
Несмотря на то, что уже так много известно о пещерах, впереди учёных ждут новые открытия. В каждой пещере есть ходы, щели и коридоры, о которых путешественники по пещерам – спелеологи – ещё не знают. Они думают, что всё уже изучили, но вдруг однажды замечают щель за каменным завалом, а за ней – коридор, за которым ещё несколько метров пещерной красоты.
В результате этих исследований можно сделать вывод, что существует несколько видов пещер, но наиболее распространёнными являются карстовые. Для образования пещеры необходимо достаточное количество водных осадков и удачная форма рельефа, то есть осадки с большой площади должны попадать в пещеру, а вход в пещеру должен располагаться заметно выше того места, куда разгружаются подземные воды.
Сталактиты, сталагмиты и сталагнаты
Вода – великая сила. Она точит камень, когда прокладывает себе дорогу, она строит галереи, а потом покидает их, подтачивает скалы, и они опускаются, рушатся, перемещаются. Так рождаются сами пещеры. Однако вода не только строитель, но и художник, скульптор!
Пещеры бывают в разных каменных породах, и вода приносит в них разные частички, строит из разных материалов: из кальцита, гипса, каменной соли. Растворение и разрушение водой осадочных пород носит название карст - карстовый процесс.
Карстовый процесс двулик: вода растворяет горную породу в одном месте, переносит её в другое и там из этой же породы создаёт прекрасные натёчные образования – сталактиты и сталагмиты.
Сталакти́ты (от греч. stalaktós - натёкший по капле), - натёчно-капельные образования, свисающие в виде конических сосулек, драпировок, изгибающейся бахромы или полых трубок со сводов и верхних частей стен карстовых пещер или иных подземных пустот (Приложение 7).
Сталагмиты (от греч. stálagma - капля), натёчно-капельные образования столбообразной, конической и других форм, поднимающиеся со дна пещер и других подземных карстовых полостей (Приложение 8).
Сталагнаты - натёчно-капельные образования в виде колонн, возникающие в пещерах при соединении сталактитов и сталагмитов (Приложение 9).
Как же они образуются? Дождевая капля, просачиваясь сквозь трещину в скале, растворяет частичку камня. Таким образом, каждая такая капля содержит частички известняка или других минералов. Растворяя известняк, вода забирает из него минерал кальцит. Капля насыщенного кальцитом раствора по мельчайшим трещинкам добирается до потолка уже созданной пещеры и повисает на нём (Приложение10).
Постепенно очень медленно капля испаряется, а принесённая ею частичка кальцита или другого минерала тончайшей плёнкой оседает на потолке. Через некоторое время в это место приходит следующая капелька и опять откладывает кальцит. Нарастая, крупинки кальцита превращаются сначала в тоненькую прозрачную и пустую внутри трубочку. Почему пустую? Да потому, что сама капля пустая внутри.
Но вот в каплю попадает песчинка и закупоривает трубочку. Тогда другие капли начинают эту трубочку обтекать со всех сторон, и растет каменная сосулька, такая же, как и ледяная, - сталактит.
Но капли поступают неравномерно то с одной, то с другой стороны, и сталактит получается не совсем круглый. А тут ещё на поверхности идёт дождь, вода становится грязной, сталактит темнеет. Дождь кончился, вода снова чистая, и следующий слой сталактита стал другого цвета. Если его разрезать, то на разрезе будут такие же кольца, как у дерева, только не годовые. Просто весной и осенью больше воды, и сталактит растет быстрее. Вода темнее, и кольцо темнее, воды стало меньше, и рост остановился (Приложение 11).
Я даже нашёл химическую формулу процесса образования сталактита. Вот она: CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3
Но не весь кальцит оседает на потолке и даёт рост сталактиту. Под собственной тяжестью часть капель падает на пол, и снизу навстречу сталактиту растёт сталагмит. Когда сталактит и сталагмит соединяются и срастаются между собой, образуется кальцитовая колонна - сталагнат. И сталактиты, и сталагмиты, и колонны бывают очень больших размеров - десятки метров в высоту и несколько метров в диаметре.
Водяные капли, попадая на них, образуют струйки, которые обтекают колонны со всех сторон, и тогда появляются натёки в виде рёбер. Если же капли стекают по стене пещеры, то на ней возникают не менее удивительные натёки в виде каменных водопадов, флагов и других фантастических образований.
Иногда в пещерах появляются натёки совершенно неожиданных форм. Сталактиты вдруг начинают расти вкривь и вкось, создавая причудливые каменные переплетения. На полу и на стенах возникают удивительно красивые каменные и гипсовые сталактитовые цветы - кораллиты, кристалликтиты и геликтиты (Приложение 12).
Там, где возникает дисбаланс поступления раствора - например, сверху капает, но столь мало, что капель сразу растекается плёнкой, - возникают гибридные формы, сталагмит расцветает кустом. При этом возникают самые разнообразные переходные формы, полиминеральные формы и многое другое. Например, можно найти образования, в точности копирующие архитектуру осиных гнёзд. А гипсовая паутина, которая тоньше человеческого волоса, при малейшем колебании воздуха рассыпается в пыль.
Миллиарды капель за миллионы лет создали в пещере целый лес сталактитов, сталагмитов, фантастическое внутреннее убранство из колонн и ажурных каменных занавесей, флагов и водопадов (Приложение 13).
На полу пещеры текущая вода также откладывает кальцит и образует "ванночки", разнообразные по форме и цвету. Мельчайшие частички солей различных минералов и металлов - меди, кобальта, железа - делают натёки розовыми, жёлтыми, синими, красными, морковными, черными. Очень редко встречается в "ванночках" так называемый пещерный жемчуг. Образуется он так же, как и морской, только не в раковине. Иногда пещерные жемчужины достигают трёх-пяти сантиметров в диаметре - почти как шарик для пинг-понга - но это очень большая редкость.
В карстовых пещерах можно встретить большое разнообразие сталактитов. Например, трубчатые сталактиты, они же макароны. Канал, проходящий по всей их длине, столетиями автоматически наводил исследователей на мысль, что по этому каналу происходит питание сталактита. Но оказалось, что это вовсе не так. Выяснилось, что канал – всего лишь следствие кристаллизации по периметру отрывающейся капли. Вот почему новые сталактиты, растущие на месте сломанных, не продолжают исходную трубку, а растут слегка сбоку, там, где воде удобнее капать.
Самыми эффектными из сталактитов являются драпировки (Приложение 14), возникающие на наклонных стенах. Именно тогда растущий сталактит начинает влиять на точку отрыва капли, и она становится мобильной, перемещаясь по малейшей прихоти водяной струйки и фиксируя в своей лихо закрученной форме направление этих струй, того, куда им следует течь.
Когда минерал меняется, скажем, кальцит на гипс, меняется и пещера, причем до неузнаваемости (Приложение 15). Гипс имеет другую химию кристаллизации. Поэтому в такой пещере «растут» гипсовые образования - “хрустальные люстры” (Приложение 16) и гипсовые “заснеженные ели”.
Они образуются чрезвычайно примечательным образом. В пещере тоже есть сухие и влажные сезоны, а гипс хорошо растворимый минерал. Когда влага оседает на поверхности, гипс растворяется. Когда влага испаряется, гипс кристаллизуется. Вода «любит» оседать во впадинах, а испаряться с выступов – это элементарная физика. И тогда получается, что внутренняя полость сталагмита продолжает растворяться, а наружная поверхность - дорастать, причем ветвистыми кустами кристаллов. Возникают те самые “заснеженные ели”. Когда стенка истончается так, что сталагмит уже не держит собственного веса, то “умирая”, он проваливается внутрь самого себя, предоставляя собственные “запасы” гипса для роста иных образований.
Времени на создание всей этой необыкновенной подземной красоты необходимо очень много. Ученые подсчитали, что в среднем сталактит нарастает по четыре десятых миллиметра в год и за сто лет увеличивается всего на четыре сантиметра. И через 100 лет на этом месте появится каменная сосулька – сталактит длиной 4 сантиметра. И каждые 100 лет сталактит будет подрастать на столько же. А внизу, куда упала капля, будет расти каменная башенка – сталагмит. Через миллионы лет сталактит и сталагмит соединятся и превратятся в сверкающую колонну. Значит, человек, разбивший каменную сосульку метровой длины, уничтожил то, что природа создавала около двух с половиной тысяч лет!
Таким образом, в ходе исследования я узнал, что сталактиты, сталагмиты и сталагнаты – это натёчно-капельные образования в пещерах. Процесс образования сталактитов и сталагмитов – это сложный химический процесс, который заключается в том, что вода растворяет горную породу, переносит её в другое место и через некоторое время откладывает её обратно, создавая натёчные образования. Процесс этот длится сотнями, тысячами лет.
Другие загадки пещер
Палеонтология – наука, которая занимается изучением ископаемых растений и животных. Ископаемые – это останки животных, живших миллионы лет назад, которые сохранились до наших дней. В основном благодаря изучению ископаемых мы знаем, каким был животный мир сотни миллионов лет назад.
В начале своей работы я уже говорил о том, что изучение пещер имеет большое научное значение в палеонтологии, минералогии, антропологии, археологии. Подтверждением тому является самое громкое и интересное открытие 20 века – это открытие пещеры Петралона на севере Греции. Я сам был в этой пещере, и она стала отправной точкой для меня в изучении механизма образования пещер и сталактитов. Поэтому хочу коротко рассказать о ней (Приложения 17-24).
В 1959 году на полуострове Халкидики, на севере Греции на высоте 250 метров над уровнем моря у подножия горы Кацика был обнаружен вход в пещеру. Всё произошло совершенно случайно, пастух по имени Петралона пас в этом районе овец. Однажды услышав негромкое журчание воды, решил внимательно обследовать подножие горы и наткнулся на вход в пещеру. Дальнейшим исследованием занялись специалисты, в частности знаменитый греческий антрополог Арис Пулянос, который потом построил палеонтологический музей рядом с пещерой и даже сам иногда проводит экскурсии. Мне повезло, я его тоже видел, когда был на экскурсии.
Площадь пещеры 10 тысяч квадратных метров, общая длина коридоров (проходов) - 1 500 метров. Туристический маршрут, открытый для посещения, составляет пока всего 600 метров. Находки, которые были обнаружены внутри этой пещеры, совершили настоящий переворот в антропологии. В 1960 году, спустя год после открытия самой пещеры, внутри был обнаружен череп и скелет древнейшего европейца, человека-неандертальца, получившего название архантроп. Результаты первого исследования черепа были представлены на Международном съезде антропологов в Москве в 1964 году и произвели большое впечатление на специалистов.
Кроме того, в пещере были найдены окаменевшие кости, каменные орудия труда, останки животных - медведей, гиен, черепах, носорогов, львов и даже жирафа. И ещё одна необычная находка из пещеры Петралона – это следы костров и зола, возраст которой насчитывает 1 миллион лет. По мнению учёных, это самые древние следы использования огня человеком.
До недавнего времени считалось, что возраст человечества составляет 3,5-4 миллиона лет, а родиной является Африка. Однако находки из пещеры Петралоне и их датировка дают право предполагать, что колыбель человечества – Юго-Восточная Европа, а человек появился 11-12 миллионов лет назад на территории Греции. Все находки из пещеры Петралона выставлены в антропологическом музее, построенном рядом пещерой.
На самом деле в пещерах очень много загадок и тайн. Как я выяснил в ходе своего исследования, необычен и интересен животный мир подземелий. Ещё первобытный человек знал и рисовал на стенах животных, обитавших в пещерах – пещерного льва, гиену, пещерного медведя. Кстати, наскальные рисунки тоже несут в себе много интересной для учёных информации (Приложение 25).
Древние животные уже давно вымерли, люди покинули пещеры, но сами пещеры не опустели. Серьёзные биологические исследования подземного мира начались только в 1831 году, когда был найден первый пещерный жук. С тех пор открыто много различных пещерных существ - и водных, и наземных. Это троглобионты, что означает "живущие в пещерах" - рачки, рыбы, мокрицы, многоножки, пауки, ложноскорпионы и другие насекомые.
Приспособление живых организмов к пещерной жизни очень сложно и многообразно. По сравнению со своими наземными сородичами они имеют более длинные и тонкие тела, более вытянутые лапки и усики, они прозрачны и бесцветны. Поскольку в пещерах нет света, им не нужно зрение, и поэтому у них нет глаз. В пещерах встречаются слепые жуки, рыбы, земноводные, раки и даже слепые и бескрылые мухи. Воздух в пещерах насыщен влагой, и поэтому троглобионты могут жить и в воде, и на суше.
По мнению ученых, животные и насекомые ушли в пещеры в связи с изменением климата на Земле, а именно при похолодании. Таким образом, большинство современных пещерных жителей - это представители прошлых эпох, живые ископаемые, уже не встречающиеся на поверхности, но сохранившие облик и привычки давно минувших тысячелетий.
Однако большинство любителей темноты проводят под землей только часть жизни. Например, бабочки только зимуют в пещерах. А ведущие ночной образ жизни некоторые виды кузнечиков находятся там весь день. К ним относился и пещерный медведь, ведь пещера была для него только местом отдыха. Ещё меньше времени проводили в пещерах гиена и лев. В отличие от пещерного медведя они никогда не заходили далеко в глубь пещеры, а держались у входа.
Сокровища пещер – ещё одна загадка и тайна пещер. Уже многие тысячелетия в легендах и сказаниях говорится о сокровищах, спрятанных в пещерах. Под землей не раз находили кости заблудившихся кладоискателей, которым так и не удалось найти заветные сокровища. Одна из пещер в чешских Татрах так и называется - Пещера Искателей Сокровищ. А сколько сложено легенд о пиратских сокровищах, спрятанных, в том числе и в пещерах. Но в каждой легенде есть доля правды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Объектом моего исследования были пещеры и их загадки, главные из которых сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, механизм их образования и возможность создания в бытовых условиях, то есть дома. В начале работы я предполагал провести опыт по такому выращиванию. Я думал, что, изучив природу и механизм образования сталактита, я смогу сам сделать то же самое. Но ещё в ходе теоретического исследования я понял, что вырастить дома настоящий сталактит невозможно.
Для того чтобы вырастить сталактит, требуется наличие нескольких очень существенных условий. А именно – пещера с определённым рельефом и микроклиматом, постоянный поток воды, наличие углекислого газа и самое главное – несколько сотен и даже тысяч лет. Человеческой жизни недостаточно, чтобы повторить столь необыкновенное и красивое явление как сталактит или сталагмит. Остаётся одно – любоваться и беречь.
По результатам своего исследования я могу сделать главный вывод – существуют такие природные явления, которые человеку стоит изучать, беречь, но вовсе не обязательно повторять их или использовать в своей жизнедеятельности. Возможно, когда-нибудь люди изобретут машину времени или ускоритель времени и тогда смогут искусственно ускорить естественный процесс роста сталактитов, но возникает следующий вопрос, а надо ли?
Зачем мне нужны эти знания? Могут ли они пригодиться мне в жизни? Думаю, да. И главным образом, для того, чтобы лучше понимать окружающий мир, видеть и ценить то прекрасное, что умеет создавать природа. А ещё - вдруг климат на Планете опять резко поменяется и людям вновь придётся вернуться в пещеры. Обладая этими знаниями, мне будет легче там освоиться самому и помочь другим.
Карстовые пещеры - это подземные полости, образовавшиеся в толще земной коры, в районах распространения легкорастворимых карбонатных и галогенных горных пород. Подвергаясь выщелачиванию и механическому воздействию, эти породы постепенно разрушаются, что приводит к образованию различных карстовых форм. Среди них наибольший интерес вызывают подземные карстовые формы - пещеры, шахты и колодцы, характеризующиеся иногда весьма сложным строением.
Одним из основных условий развития карстовых пещер является наличие карстующихся горных пород, отличающихся значительным литологическим разнообразием. Среди них выделяются карбонатные породы (известняки, доломиты, писчий мел, мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты) и галоидные (каменная, калийная соли). Карстующиеся породы имеют весьма широкое распространение. Во многих местах они перекрываются маломощным чехлом песчано-глинистых отложений или непосредственно выходят на поверхность, что благоприятствует активному развитию карстовых процессов и образованию различных карстовых форм. На интенсивность карстообразования значительное влияние оказывает также мощность пород, их химический состав и особенности залегания.
Как уже говорилось, строителем карстовых пещер является вода. Однако чтобы вода могла растворять горные породы, они должны быть водопроницаемы, т. е. трещиноваты. Трещиноватость пород является одним из основных условий развития карста. Если карбонатный или сульфатный массив монолитен и состоит из твердых разностей пород, лишенных трещиноватости, то он не подвергается воздействию карстовых процессов. Однако такое явление встречается редко, так как известняки, доломиты и гипсы трещиноваты по своей природе. Трещины, рассекающие известняковые массивы, имеют различное происхождение. Выделяют трещины литогенетические, тектонические, механической разгрузки и выветривания. Наиболее распространены тектонические трещины, которые обычно секут различные слои осадочных пород, не преломляясь при переходе из одного слоя в другой и не меняя своей ширины. Тектоническая трещиноватость отличается развитием сложных взаимно перпендикулярных трещин шириной 1-2 мм. Наибольшей раздробленностью и трещиноватостью горные породы характеризуются в зонах тектонических нарушений.
Выпадая на поверхность карстующегося массива, атмосферные осадки по трещинам различного происхождения проникают в глубь этого массива. Циркулируя по подземным каналам, вода выщелачивает горную породу, постепенно расширяет подземные проходы и образует иногда громадные гроты. Движущаяся вода является третьим обязательным условием развития карстовых процессов. Без воды, растворяющей и разрушающей горные породы, не было бы карстовых пещер. Вот почему особенности гидрографической сети и своеобразие гидрогеологического режима в значительной мере определяют степень кавернозности карстующихся толщ, интенсивность процессов выщелачивания и условия развития подземных полостей.
Основную роль в формировании многих карстовых полостей играют инфильтрационные и инфлюационные дождевые и талые снеговые воды. Такие пещеры - коррозионно-эрозионного происхождения, поскольку разрушение породы происходит как за счет ее химического выщелачивания, так и путем механического размыва. Однако не следует думать, что эти процессы протекают одновременно и непрерывно. На разных стадиях развития пещер и на разных их участках доминирует обычно один из указанных процессов. Образование некоторых пещер целиком связано или с коррозионными, или с эрозионными процессами. Встречаются также нивально-коррозионные пещеры, своим происхождением обязанные деятельности талых снеговых вод в зоне контакта снежной толщи с карстующейся породой. К ним относятся, например, сравнительно неглубокие (до 70 м) вертикальные полости Крыма и Кавказа. Многие пещеры возникли в результате обвала кровли над подземными коррозионно-эрозионными пустотами. Некоторые естественные полости образовались путем выщелачивания горных пород восходящими по трещинам артезианскими, минеральными и термальными водами. Таким образом, карстовые пещеры могут иметь коррозионное, коррозионно-эрозионное, эрозионное, нивально-коррозионное, коррозионно-гравитационное (провальное), гидротермальное и гетерогенное происхождение.
Помимо инфильтрационных, инфлюационных и напорных вод в образовании пещер определенную роль играют также конденсационные воды, которые, собираясь на стенках и потолке пещер, разъедают их, создавая причудливые узоры. В отличие от подземных ручьев конденсационные воды воздействуют на всю поверхность полости, в связи с чем оказывают наибольшее влияние на морфологию пещер. Особенно благоприятными условиями для конденсации влаги характеризуются небольшие полости, расположенные на значительной глубине от поверхности, поскольку количество конденсационной влаги находится в прямой зависимости от интенсивности воздухообмена и в обратной от объема полости. Наблюдения, проведенные в Горном Крыму, показали, что в исследованных карстовых пещерах в течение года конденсируется 3201,6 м 3 воды (Дублянский, Илюхин, 1971), а в подземных полостях всей главной гряды в 2500 раз больше (т. е. 0,008004 км 3). Эти воды отличаются большой агрессивностью. Жесткость их превышает 6 мг-экв (300 мг/л). Таким образом, за счет инфильтрационных вод пещеры Горного Крыма, как показывают несложные расчеты, увеличиваются по сравнению с общим объемом примерно на 5,3%. Средняя минерализация конденсационных вод около 300 мг/л, следовательно, они выносят в течение года 2401,2 т (8004 10 6 л X 300 мг/л) углекислого кальция. Суммарный вынос карбоната кальция карстовыми источниками Горного Крыма составляет около 45 000 т/год (Родионов, 1958). Следовательно, роль конденсационных вод в формировании подземных полостей сравнительно невелика, причем воздействие их на горную породу как агента денудации ограничивается в основном теплым периодом.
Как же идет процесс выщелачивания карстующихся пород? Рассмотрим этот вопрос в общем плане на примере карбонатных образований. Природные воды всегда содержат углекислоту, а также различные органические кислоты, которыми они обогащаются при контакте с растительностью и просачивании через почвенный покров. Под действием углекислоты карбонат кальция переходит в бикарбонат, который значительно легче растворяется в воде, чем карбонат
Эта реакция обратима. Увеличение содержания углекислоты в воде вызывает переход кальцита в раствор, а при уменьшении ее происходит выпадение из водного раствора бикарбоната кальция (известкового осадка), который накапливается в некоторых местах в значительном количестве. Между содержанием углекислоты и температурой воды существует обратная связь.
Резко возрастает растворимость известняков, когда подземные воды обогащены кислотами и солями. Так, при обогащении подземных вод серной кислотой реакция идет по уравнению
Выделившаяся в результате этой реакции углекислота оказывается дополнительным источником образования гидрокарбонатов.
Степень растворимости гипса и ангидрита также зависит от наличия тех или иных кислот и солей. Так, например, присутствие в воде СаCl 2 значительно снижает растворимость гипса, напротив, наличие в воде NCl и MgCl 2 увеличивает растворимость сульфата кальция. Растворение гипса в принципе может происходить и в химически чистой воде.
Хотя мы и называем карбонатные и сульфатные породы легкорастворимыми, однако растворяются они чрезвычайно медленно. Для образования подземных пустот требуются многие и многие тысячи лет. При этом карстующиеся породы растворяются и разрушаются только по трещинам, вне трещин они остаются по-прежнему очень прочными и твердыми.
Проникающие в карстовые массивы по трещинам и тектоническим нарушениям атмосферные воды характеризуются сначала преимущественно вертикальным движением. Достигнув водоупора или местного базиса эрозии, они приобретают горизонтальное движение и текут обычно по падению пластов горных пород. Часть воды просачивается в глубокие горизонты и формирует региональный сток. В этой связи в карстующемся массиве выделяется несколько гидродинамических зон, а именно - зона поверхностной, вертикальной, сезонной, горизонтальной, сифонной и глубинной циркуляции карстовых вод (рис. 1). Каждая из указанных гидродинамических зон характеризуется определенным набором карстовых форм. Так, к зоне вертикальной циркуляции вод или к зоне аэрации приурочены в основном вертикальные подземные полости - карстовые колодцы и шахты. Они развиваются вдоль вертикальных или пологонаклонных трещин в результате периодического выщелачивания горных пород талыми снеговыми и дождевыми водами. В зоне горизонтальной циркуляции, где происходит свободный сток безнапорных вод к речным долинам или периферии карстующегося массива, формируются горизонтальные пещеры. Наклонные и горизонтальные полости отмечаются в зоне сифонной циркуляции, характеризующейся напорными водами, которые движутся в подрусловых каналах нередко ниже местного базиса эрозии.
На развитие пещер, кроме морфоструктурных и гидрогеологических особенностей, существенно влияют также климат, почвы, растительность, животный мир, а также хозяйственная деятельность человека. К сожалению, роль этих факторов в пещерообразовании изучена в настоящее время далеко не достаточно. Хочется надеяться, что этот пробел в ближайшем будущем будет ликвидирован.
Теория происхождения известняковых карстовых пещер, развивающихся в породах с горизонтальным залеганием слоев, была разработана У. М. Девисом (1930). В эволюции так называемых двуцикловых пещер, образовавшихся при двукратном поднятии известнякового массива, он различал пять основных этапов: а) зачаточные каналы, формирующиеся в зоне полного насыщения медленно движущихся фреатических вод, находящихся под давлением; б) зрелые галереи, когда в условиях распространения безнапорных вадозных потоков начинает доминировать механический размыв (корразия); в) сухие галереи, возникшие в результате ухода воды в глубь массива вследствие местного поднятия территория; г) натечно-аккумулятивная, характеризующаяся заполнением галерей натечно-капельными и другими пещерными отложениями; д) разрушение подземных галерей (пенепленизация).
На основе развития взглядов Девиса было создано представление о фреатической (пещерные галереи разрабатываются грунтовыми водами, находящимися под давлением) и вадозной (подземные воды свободно, не под напором, движутся по галереям в сторону дренирующих систем) стадиях развития пещер (Бретц, 1942).
Наиболее полно вопросы эволюции подземных полостей разработаны советскими исследователями Г. А. Максимовичем (1963, 1969) и Л. И. Маруашвили (1969), которые выделили несколько стадий формирования горизонтальных карстовых пещер. Первая стадия - трещинная, затем щелевая. По мере увеличения ширины трещин и щелей в них проникает все большее количество воды. Это активизирует карстовые процессы особенно на участках чистых разностей пород. Пещера переходит в каналовую стадию. При расширении каналов подземные потоки приобретают турбулентное движение, что благоприятствует еще большему усилению процессов коррозии и эрозии. Это стадия подземной реки, или воклюзовая. Она характеризуется значительным заполнением подземного канала водным потоком и выходом его в виде воклюзного источника на дневную поверхность, а также образованием органных труб, обвалом сводов, ростом гротов.
В связи с размывом дна подземного канала вода просачивается по трещинам в глубь карбонатных и галогенных толщ, где на более низком уровне разрабатывает новые полости, формируя более низкий этаж пещеры (рис. 2). Постепенно подземные каналы расширяются. Водный поток частично, а затем полностью уходит в нижние горизонты массива, и пещера становится сухой. В нее проникают по трещинам в кровле лишь инфильтрационные воды. Это коридорно-гротовая натечно-осыпная (водно-галерейная, по Л. И. Маруашвили) стадия развития пещеры. Она отличается широким распространением химической и механической аккумуляции (в гипсовых пещерах стадия натечной аккумуляции отсутствует). Потолок и стены пещеры покрываются разнообразными кальцитовыми натеками. Образуются каменные и земляные «осыпи, последние располагаются преимущественно под органными трубами. Накапливаются также отложения рек и озер. С уходом водотока дальнейшее увеличение подземной полости резко замедляется, хотя коррозионная деятельность продолжается за счет инфильтрационных и конденсационных вод.
По мере развития пещеры она переходит в коридорно-гротовую обвально-цементационную (сухо-галерейную, по Л. И. Маруашвили) стадию. На этой стадии в результате обрушения кровли над подземными полостями возможно вскрытие некоторых частей пещеры. Постепенное обрушение свода пещеры приводит к полному ее уничтожению, что особенно характерно для верхних частей с небольшой мощностью кровли. На уцелевших участках остаются лишь карстовые мосты и узкие арки. При полном разрушении пещеры образуется карстовая долина.
Если толща кровли превышает 100-200 м, то провалов в ней, как правило, не образуется, а подземные полости заполняются обрушившимися с потолка глыбами породы и принесенными песчано-глинистыми отложениями, которые разбивают пещеру на отдельные изолированные полости. В этом случае развитие пещеры заканчивается коридорно-гротовой обвально-цементационной стадией (грото-камерная стадия, по Л. И. Маруашвили).
Продолжительность отдельных стадий пещерообразо-вательного цикла, отличающихся своими гидродинамическими и морфологическими особенностями, спецификой физико-химических процессов и своеобразием биоклиматических условий, измеряется десятками и сотнями тысячелетий. Так, сухо-галерейная стадия пещеры Кударо на Кавказе продолжается уже 200-300 тыс. лет (Маруашвили, 1969). Что касается ранних стадий развития пещер (трещинная, щелевая, каналовая и воклюзовая), то их продолжительность значительно короче. Пещеры «могут достигать зрелого водно-галерейного состояния за несколько тысячелетий от начального момента своего развития». В этом отношении интересны экспериментальные исследования Е. М. Абашидзе (1967) по растворению стенок трещин глауконитовых известняков Шаорского водохранилища (Кавказ). Опыты показали, что за 25 лет непрерывной фильтрации в зависимости от скорости потока волосные трещины размером 0,1-0,25 мм могут увеличиваться до 5-23 мм.
Таким образом, карстовые пещеры характеризуются сложной эволюцией, особенности которой зависят от сочетания самых различных факторов, определяющих нередко значительные отклонения от рассмотренной схемы. Развитие пещер в силу тех или иных причин может прекратиться или вновь начаться на любой морфолого-гидрологической стадии. Сложные пещерные системы состоят обычно из участков, находящихся на разных стадиях развития. Так, в Ищеевской пещере на Южном Урале в настоящее время встречаются участки от каналовой стадии до карстовой долины.
Особенностью многих пещер является их многоярусность, причем верхние ярусы всегда значительно старше нижележащих. Количество этажей у разных пещер изменяется от 2 до 11.
Расстояние между двумя смежными уровнями многоэтажных пещер колеблется от нескольких метров до нескольких десятков. Обрушение сводов, разделяющих пещерные этажи, приводит к образованию гигантских гротов, достигающих иногда высоты 50-60 м (пещеры Красная и Анакопийская).
Появление нового этажа Г. А. Максимович связывает с тектоническим поднятием района, где находится пещера. Н. А. Гвоздецкий основную роль в развитии многоэтажных пещер в условиях большой мощности карстующихся пород отводит восходящим движениям, которые рассматривает не как нарушающий фактор, а как общий фон эволюции карста. По мнению Л. И. Маруашвили, многоярусность пещер может быть определена не только тектоническим поднятием карстового массива, но и общим понижением уровня океана (эвстазия), что вызывает интенсивное углубление речных долин и быстрое снижение уровня горизонтальной циркуляции карстовых вод.
Ярусность лучше всего выражена у пещер равнинных и предгорных территорий, отличающихся сравнительно медленными тектоническими поднятиями. В процессе формирования пещер иногда наблюдается смещение оси пещерных галерей от первоначальной вертикальной плоскости. Интересна в этом отношении пещера Цуцхватская. Каждый более молодой (из четырех нижних) ярус этой пещеры сдвинут по отношению к предыдущему к востоку, в связи с чем подземный отрезок реки Шапатагеле в настоящее время находится значительно восточнее, чем в период формирования более высоких зтажей пещеры. Смещение оси пещерных галерей связано с наклоном тектонических трещин, к которым приурочены подземные полости.
Каков же возраст карстовых пещер и по каким признакам можно судить о начале формирования пещеры? По мнению Л. И. Маруашвили, за начало формирования пещеры следует принимать период перехода ее в натечно-осыпную (водно-галерейную) стадию, поскольку на более ранних стадиях своего развития пещера еще не является в обычном понимании пещерой: она плохо разработана, полностью заполнена водой и совершенно непроходима.
Для определения возраста пещер применяются различные методы исследования, в том числе палеозоологический, археологический, радиоуглеродный и геоморфологический. В последнем случае сопоставляется гипсометрический уровень пещер с уровнями поверхностных форм. К сожалению, многие из этих методов позволяют определить лишь верхний предел возраста пещеры. Прямыми и косвенными данными доказывается весьма длительное существование карстовых пещер, определяемое иногда многими миллионами лет. Разумеется, возраст пещер в значительной мере зависит от литологического состава пород, в которых они формируются, и общей физико-географической обстановки. Однако даже в легкорастворимых сульфатных (гипс, ангидрит) образованиях пещеры сохраняются весьма длительное время. Интересны в этом отношении гипсовые пещеры Подолии, начало формирования которых относится к верхнему миоцену. И. М. Гуневский, исходя из особенностей геологического строения территории, степени трещиноватости пород, характера рельефа, морфологии подземных полостей и строения натечных образований, выделяет следующие этапы формирования подольских пещер: верхнесарматский (начало интенсивной глубинной эрозии), раннеплиоценовый (характеризующийся интенсификацией процессов вертикального направления), позднеплиоценовый (процессы горизонтальной циркуляции подземных вод преобладают над вертикальными), раннеплейстоценовый (процессы образования пещер достигают максимальной интенсивности), среднеплейстоценовый (процессы подземного карстообразования начинают затухать), позднеплейстоценовый (аккумуляция минеральных и хемогенных образований), голоценовый (аккумуляция глыбовых отложений). Таким образом, возраст самых крупных в мире гипсовых пещер Оптимистической, Озерной и Крывченской в Подолии превышает, по-видимому, 10 млн. лет. Возраст известняковых пещер может быть еще более значительным. Так, некоторые древние карстовые пещеры Алайского хребта (Средняя Азия), имеющие гидротермальное происхождение, по мнению 3. С. Султанова, образовались в верхнепалеозойское время, т. е. более 200 млн. лет назад.
Древние пещеры встречаются, однако, сравнительно редко, сохраняясь длительное время лишь в наиболее благоприятных природных условиях. Большинство карстовых пещер, особенно в сильно обводненных сульфатных породах, имеет молодой, преимущественно четвертичный или даже голоценовый возраст. Разумеется, отдельные галереи сложно построенных многоярусных пещер образовались в разное время и возраст их может изменяться в значительных пределах.
Для количественной оценки карстовых полостей Г. А. Максимович (1963) предлагает два показателя: плотность и густоту карстовых пещер. Под плотностью понимается количество пещер, отнесенных к площади 1000 км 2 , а под густотой - общая протяженность всех полостей в пределах той же условной площади.
Ж. Корбель предложил характеризовать величину карстовых пещер показателем пустотности, вычисляемым по формуле
где V - объем растворимой породы, в которой развита пещера, в 0,1 км 3 ; L - расстояние (на плане) между крайними точками по основной оси системы полостей - 0,1 км; J - расстояние между двумя наиболее удаленными точками по перпендикуляру к основной оси - 0,1 км; Н - разница отметок между самой высокой и самой низкой точками пещерной системы - 0,1 км.
Для определения крупности пещер существует также и другой способ, который связан с подсчетом объема полостей. Если полость имеет сложную форму, то ее следует представить в виде совокупности различных геометрических фигур (призмы, цилиндра, полного и усеченного конуса, полной и усеченной пирамиды с любым по форме основанием, шара и т. д), объем которых вычисляется по формуле Симпсона
где v - объем геометрической фигуры, м 3 ; h - высота фигуры, м; s 1 , s 2 , s 3 - площади нижнего, среднего и верхнего сечения фигуры, м 2 . Проверка этого метода крымскими спелеологами показала, что ошибки при подсчете объема полостей по формуле Симпсона не превышают 5-6%.
Прежде чем ответить на вопрос «Как образуются пещеры?», нужно уяснить, что же такое пещеры, и какими они бывают.
Пещеры - это пустые пространства в скальных породах под землей или под водой, а также над землей. Пещеры бывают сквозные с несколькими отверстиями или с одним. Они разделяются на горизонтальные, вертикальные, а также наклонные и одноуровневые или многоуровневые. Размерами пещеры также разнятся. Бывает так, что пещера тянется многие километры, поднимается или опускается даже под воду подземной реки. Но самое главное отличие одной пещеры от другой – это материал, из которой они состоят, и то, каким образом они образовались.
Итак, самая большая группа пещер – это Карстовые. Они делятся на мраморные, соляные, кристаллические, гипсовые и известняковые пещеры, а также другие. Такие пещеры образуются благодаря растворению в воде разных горных пород, и многие из них имеют свои сталактиты и сталагмиты.
Эволюционисты утверждают, что главный фактор, образующий эти пещеры, – это грунтовые воды, насыщенные углекислотой, которые просачиваются сквозь трещины вдоль пластов известняка. Этот процесс, по их мнению, занимает миллионы лет. Но недавно стал известен еще один фактор, который значительно быстрее вымывает пещеры – это серная кислота.
Также есть эрозийные пещеры водой (вдоль береговой линии), которые механически вымываются водой с крупными крупинками песка, осколков камней и др. Тектонические пещеры образуются в бортах рек в местах тектонических разломов.
Вулканические пещеры появляются при извержении вулканов, когда лава застывает, создавая своеобразную трубу, по которой дальше течет, образуя пустоты. Пещеры в жерлах вулканов также являются вулканическими. Во времена глобального потопа, названного в Библии Ноевым Потопом, происходила всемирная вулканическая активность, в следствии чего очень быстро образовалось множество пещер такого типа.