Гомогенное отложение в пещерах. Образование пещер

Одно из первых систематических описаний отложений пещер России приведено А.А. Крубером в его знаменитой монографии «Карстовая область Горного Крыма» (Крубер, 1915), где в соответствии с классификацией Э.А. Мартеля различаются: натечные образования; туф у выходов подземных вод; продукты разрушения и осыпания стенок; продукты провалов и обрушения сводов; пещерная глина - нерастворимый остаток карстующихся пород; занесенные с поверхности обломочные отложения; а также отложения животного и растительного происхождения; снег и лед.

Отложения карстовых полостей чаще всего имеют антропогеновый возраст. Но в классификационных построениях четвертичных отложений они практически не учитываются (Кизевальтер, 1985; Кожевников, 1985; Шанцер, 1966). В настоящее время не существует всеохватывающей классификации пещерных отложений. В отечественной литературе общепринята классификация Д.С. Соколова – Г.А. Максимовича, включающая восемь типов пещерных отложений (Максимович, 1963). Созданная в начале 60-х годов прошлого века, она в последующем, претерпев некоторые изменения, продолжает использоваться и поныне. Мы также возьмем за основу данную классификацию, широко известную спелеологам, с добавлением имеющихся данных современных исследований.

1. Остаточные отложения
Под остаточными принято понимать отложения, сформированные за счет нерастворимого остатка пород, вмещающих полости. Массивные хорошо карстующиеся известняки, в которых заложены многие карстовые пещеры, содержат 1-5% нерастворимого остатка. Расчеты показывают, что при растворении 1 м 3 известняков образуется около 140 кг (0,05 м 3) глинистого материала (Дублянский, 1977; Шутов, 1971). Для гипсовых пород района Кунгурской пещеры при содержании 1,6-2,3% нерастворимого остатка этот показатель равен 70 кг на м 3 сульфатной породы. Выделить чистый генетический тип остаточных отложений обычно довольно сложно. К ним относятся буро-красные пластичные глины, тонким слоем покрывающие внутреннюю поверхность некоторых куполов и закарстованных трещин. Немногочисленные спектральные анализы свидетельствуют о наличии в них Вe, Ba, Ti, V, Mn, Cr, Ni, Co, Pb, Sn, Ga, La в количествах, не превышающих содержания этих элементов во вмещающих породах (Дублянский, Полканов, 1974; Степанов, 1999).

К остаточным отложениям, вероятно, можно отнести тонкоотмученные глины, выполняющие прихотливо изогнутые углубления на сводах и стенах пещер. Это «глинистые вермикуляции», представляющие собой результат комбинированного воздействия на горную породу агрессивных конденсационных вод и бактериальной микрофлоры, способной усваивать углерод вмещающих известняков (Hill, Forti,1997).

Остаточные отложения могут покрывать стены полостей, полностью заполненные водой. При работе с аквалангом остаточные отложения легко взмучиваются, что затрудняет подводные спелеологические исследования.

2. Обвальные отложения
Обвальные отложения – широко распространенный, но мало изученный тип пещерных отложений. В.Н. Дублянский (Дублянский, 1977; Дублянский, Дублянская, 2004) выделил четыре генетических подтипа обвальных отложений: термо-гравитационный, обвально-гравитационный, провально-гравитационный, сейсмо-гравитационный.

Термо-гравитационные отложения формируются в привходовой части полостей и являются результатом физического выветривания в зоне резких суточных колебаний температуры воздуха. Представлены щебенкой и дресвой известняка, образуют сезонные прослои в рыхлых накоплениях. Обычно они распространены только в привходовых частях пещер. Мощность термо-гравитационных отложений может достигать нескольких метров (Воронцовская, Ахштырская, Партизанская, Ацинская и др., Западный Кавказ) наиболее глубоко залегающие слои отличаются более сильным выветриванием, местами обломки разрушаются до глиноземистого материала. Если они имеют красноватый цвет за счет обогащения окислами железа и марганца, то их образование происходило в условиях влажного и жаркого климата. Залегающие выше слои, как правило, представлены десквамационным щебнем с гумусированными суглинками темно-бурого цвета – наличие таких отложений говорит о более мягких климатических условиях способствующих процессам почвообразования умеренного климата. Верхние слои представлены мелкой щебенкой и легким серым суглинком, что свидетельствует о замедлении процесса выветривания в эпоху голоцена. Таким образом, положение и размеры обломков, характер их поверхностей и граней, цвет, наличие вторичных окислов металлов позволяют реконструировать палеоклиматические условия формирования карстовых полостей (Ниязов, 1983).

Обвально-гравитационные отложения представлены исключите­льно автохтонным материалом. Они формируются на всем протяжении пещер в результате разрушения подземных ходов, образуя коллювиальные скоплений преимущественно у их стенок. Наиболее крупные по размерам обломков глыбовые накопления характерны для участков полостей, заложенных в зонах тектонических нарушений. Размер обломочного материала зависит от слоистости горных пород, их трещиноватости и высоты подземных залов и галерей. Иногда обвально-гравитационные отложения формируются в виде крупных коллювиальных конусов в основании карстовых шахт. Эти отложения практически не сортированы, часто уплотнены. На них могут формироваться вторичные натечные образования. Выветриванию внутренних поверхностей раскрытых полостей способствует широкое развитие в пристеночной зоне алтерита - породы, измененной в результате метасоматических реакций при взаимодействии поровых и каналовых флюидов (Климчук, Тимохина, 2011).

Провально-гравитационные отложения образуются при прова­лах сводов пещер или их отдельных этажей. Крупные провально-гравитационные отложения известны во всех горно-складчатых регионах страны. Наиболее значительные по размерам глыбовые накопления наблюдаются на участках, близких к сместителям тектонических нарушений. В Мраморной пещере (Крым) в зале Перестройки наиболее крупные обвальные блоки известняка достигают размеров 20х6х3 м и имеют вес до 1000 т. В пещере Снежная (Зап. Кавказ) мощность провально-гравитационных отложений достигает 100 (конечный зал) и даже 140 м (завал в верхнем течении подземной реки) вес отдельных глыб достигает 2,5 тыс. т. Крупные провально-гравитационные тела имеют сейсмогенную природу (Дублянский, 1977; Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002). Для провально-гравитационных отложений также характерна локализованность, плохая сортировка обломочного материала, состоящего из крупных разноразмерных глыб, дресвы и мелкозема. Мощность провально-гравитационных отложений может достигать сотни метров и объема в тысячи м 3 .

Сейсмо-гравитационные отложения представлены рухнувшими междуэтажными перекрытиями обвальных залов, а также поваленными натечными колоннами и сталагмитами, выведенными из вертикального по­ложения. Подобные образования часто встречаются в сейсмоактивных областях России.

Г.А. Максимович еще в 1943 г. выделил в группе денудационных процессов карстовые сейсмы, имеющие небольшую глубину гипоцентра (30-100 м) и силу (не более 6-7 баллов в эпицентре). Сейсмографы обычно регистрируют их как отрицательные вступления.

Упоминаний о карстовых сейсмах в литературе довольно много. Геологи А.А. Иностранцев, П.Н. Барбот-де-Марни, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг считали все слабые крымские землетрясения провальными. Расчеты показывают, что провалы перекрытий залов в Красной пещере могут вызвать в наиболее близких населенных пунктах (Симферополь – 22 км, Алушта – 26 км) землетрясения с магнитудой 2,5-2,7 единиц (3,7-3,9 балла). По выделившейся энергии (n·10 12 -10 17 эрг) самые крупные провалы на 3 порядка меньше, чем ялтинское землетрясение 1927 г. Подобные отложения описаны и для кавказких пещер (Вахрушев, Дублянский, Амеличев, 2001).

Очень интересную информацию о силе и направлении сейсмических толчков дают поваленные натечные колонны крупных залов и галерей полостей. Максимальный вес таких колонн достигает 150 т, длина 8-10 м, диаметр до 6 м. Азимуты лежащих колонн в пещерах указывают на эпицентральные зоны, сейсмические события которых, привели к их опрокидыванию. Растущие на них сталагмиты новой генерации позволяют определять возраст связанного с их разрушением землетрясения.

3. Водные механические отложения
Водные механические отложения пещер состоят из аллювиально-пролювиальных отложений временных и постоянных русловых подземных водотоков, осадков внерусловых озер и обломочных отложений, привнесенных с поверхности через трещины, колодцы, шахты- и пещеры-поноры. Эти отложения содержат большую и разностороннюю информацию о гидрогеологии и палеогеографии полостей, для получения которой необходимо использовать специальные методики гранулометрического и минералогического анализов (Ниязов, 1983). Материалы, касающиеся водных механических отложений пещер, имеются практически в каждой публикации, посвященной карстогенным и некарстовым полостям. Рассмотрим отдельно их гранулометрический состав, минералогические особенности и значение как индикатора палеоскоростей и палеорасходов подземных потоков. Приведенные ниже материалы были получены при исследовании пещер Кавказа и Крыма. Подобную методику можно использовать и в других регионах страны.

Гранулометрический состав. Водные механические отложения концентрированных потоков четко подразделяются на три группы: русловые (I), сифонно-русловые (II) и сифонные (III). Отдельные пробы внутри этих групп имеют индивидуальные отличия, но в целом их статистические характеристики довольно устойчивы (рис. 1).

Русловые отложения характеризуются хорошей сортированностью (1,91), так как формировались в постоянно существующем водном потоке. Для них характерен наиболее грубый состав (50-90% песчано-гравийной фракции). 3-18% составляет галька, чего никогда не наблюдается в отложениях других групп. Четкие закономерности распределения русловых отложений по крупности и степени сортированности вниз по потоку установить удается редко. Типовая кумулятивная кривая имеет выпуклую форму.

Сифонно-русловые отложения сформировались за счет перемешивания русловых и сифонных отложений во время паводков. Они характеризуются средней (2,20) сортированностью. Средний диаметр частиц колеблется в пределах от 8 до 1,7 мм. Частицы размером свыше 1 мм составляют 12-70%, что можно объяснить неоднократностью переноса в разных гидрологических условиях. 50% отложений представлено грубо-песчанистыми частицами 1-2 мм.

Рис. 1. Поля русловых (I), сифонно-русловых (II), сифонных (III) отложений и типовые куммулятивные кривые (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002)

Сифонные отложения характеризуются наилучшей сортированностью (1,42). Это объясняется тем, что каждый сифонный канал обладает своей пропускной способностью, которая определяет скорость потока и размеры выносимых им частиц. У выхода сифонного канала происходит сепарация материала определенной крупности. В среднем 90-95% приходится на частицы песчаной размерности. Частиц диаметром более 1 мм в этой группе всего 10-12%.

Приведенные данные представляют значительный палеогеографический интерес, так как по гранулометрическому составу песчано-галечниковых отложений можно определить условия их формирования. Для этого можно использовать метод Хьюлстрема-Буркхардта (Ниязов, 1983), который позволяет по данным о гранулометрическом составе водных механических отложений определить палеогидрологические условия (скорость и расход) сформировавших их водных потоков. Данный метод использовался для установления гидрологических характеристик водных потоков пещер, где показал свою хорошую информативность. Так в пещере Географическая (Западный Кавказ) палеоскорость составила 1-2 м/с, а палеорасходы от 3 до 10 м 3/ с

Большой интерес представляет изучение особенностей распределения водных механических отложений по вертикали. Для этого необходимо заложить шурф, который должен вскрыть весь разрез. В разрезе шурфа будут видны чередующиеся прослои песка, глины и гравия. Разрез необходимо несколько генерализируют – отбор проб производится из десятисантиметровых прослоев, иногда включающих несколько слойков песка или глины.

На рисунке 2 хорошо прослеживается увеличение крупности материала с глубиной. Если в слоях, лежащих на коренных породах, обнаружены археологические артефакты, то появляется возможность определить скорость и время формирования этих отложений. Кумулятивные кривые (рис. 2) вскрытых отложений относятся ко II и III группам – т.е. это отложения, сформированные в сифонной ловушке и смешанные с периодически поступавшими русловыми отложениями. Анализ подобного разреза выявляет пики, во время которых резко возрастало поступление в сифонную ловушку руслового аллювия. Скорость потока менялась при этом от 0,00-0,25 м/с (садка глинистых частиц) до 1,0-1,5 м/с (отложение гальки и гравия).

Минералогический состав водно-механических отложений . Для этих целей проводится шлиховой анализ проб, отбираемых в различных точках пещер. Условия их отбора различны. При малом объеме естественной ловушки (ванночка, скальный или натечный порог, заполнитель меандровой ниши и пр.) производится ее полная зачистка до плотика. При большой мощности или площадном распространении водных механических отложений проба отбирается как средняя по разрезу или по площади методом квартования. Три пробы – это крупные (10-12 кг) технологические пробы, характеризующие минералогический состав отдельных участков пещеры.

Пробы отмываются до серого шлиха (при этом потеря тяжелых минералов составляет около 15%). Серый шлих обрабатывается бромоформом. Легкая и тяжелая фракции подвергается электромагнитной сепарации. Гранулометрический состав пробы определяется рассевом средней 100-граммовой навески, отобранной из исходной пробы. Минералогический анализ производится общепринятым способом. Количественное определение минералов выполняется под бинокуляром с подсчетом сперва по магнитной и немагнитной фракциям, а затем – по отношению к весу всех тяжелых минералов образца. В каждой фракции подсчитывается порядка 300 зерен. Сокращение пробы производится методом дорожки. Результаты анализа выражаются в весовых процентах с учетом удельных весов минералов.

Рис. 2. Разрез шурфа(А) и кумулятивные кривые вскрытых им слоев (Б) (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002)

Минеральный состав водных механических отложений карстовых полостей, близок к минеральному составу нерастворимого остатка вмещающих пород (Дублянский, Полканов, 1974). Легкая фракция представлена в основном кварцем и кварцево-слюдистыми агрегатами, гидроокислами железа, обуглившимися растительными остатками. Здесь присутствуют также обломки натеков раковин и мелких костей грызунов. В тяжелой фракции вмещающих известняков встречаются: киноварь, пирит, марказит, флюорит, лейкоксен, ильменит, шпинель, рутил, брукит, анатаз, хромит, магнетит, гидроокислы железа, циркон, дистен, силлиманит, турмалин, пироксен, слюда, хлорит, роговая обманка, гранат, ставролит, муассанит, барит, апатит, ставролит, глауконит, корунд, эпидот, золото, галенит, сфалерит, карбонатапатит и другие (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002).

Причины минерального богатства водных механических отложений пещер различны. Основная – это то, что они представляют собой естественный обогащенный шлих (выход тяжелой фракции для известняков обычно много меньше 1%, а для заполнителя пещеры – достигает 5%). Поэтому появление в его составе минералов, пока не обнаруженных во вмещающих породах, связано с неполнотой наших представлений об акцессорной минерализации последних. В карстовых областях, где верховья постоянных и временных водотоков находятся в пределах некарстующихся пород шахты и поноры располагающиеся на их контакте с известняками, буквально перегружены аллювиально-пролювиальными отложениями. По мере продвижения вниз по потоку окатанность и степень сортированности материала в пещерах повышается. Как правило, крупные валуны и галька не образуют сплошные скопления, а накапливаются в гидродинамических ловушках (эворзионные котлы, подземные озера или расширения ходов и др.). Иногда встречаются участки некогда полностью заполненные валунно-галечными материалами. После их вторичного промыва в стенках колодцев остаются кольматационные отложения. В обводненных пещерах России во время паводков перемещаемый обломочный материал может закупоривать узкие каналы, это вызывает изменения направления подземного стока, размыв водно-механических отложений в одних местах и осаждение в других. На отдельных участках таких пещер, где отложения прорезаются современными потоками, образуются современные подземные террасы, изучение которых можно проводить выше описанным методом. Пещеры, расположенные в долинах крупных рек, вход в которые находится (или находился) на уровне высокой поймы, могут затапливаться при паводках. В таких пещерах встречаются галька и валуны, занесенные в пещеру во время паводка из речного русла (Шакуранская, Западный Кавказ и др.).

В некоторых пещерах на полу могут встречаться плотные тяжелые темно-коричневые желваки с блестящей внешней коркой. Местами эти желваки сцементированы карбонатным материалом и образуют своеобразный микроконгломерат. Изучение образцов в отраженном свете показало, что они сложены гетитом и гидрогетитом.

4. Водные хемогенные отложения
Согласно Г.А. Максимовичу (Максимович, 1963) водные хемогенные отложения подразделяются на натечные (субтерральные), кальцитовые (субаквальные), кристаллы автохтонных минералов и коррелятные отложения на поверхности. Материалы монографии К. Хилл и П. Форти (Hill, Forti, 1997) значительно изменили представление о формировании хемогенных пещерных отложений: введено новое понятие «спелеотема» (вторичные минеральные образования, сформированные в пещерной среде в результате физико-химических реакций); количество описанных минералов увеличилось с 40 (1950-1995 гг.) до 240; по составу все минералы пещер объединили в 13 групп: самородные элементы, сульфиды, оксиды и гидроксиды, галоиды, арсенаты, бораты, карбонаты, нитриты, фосфаты, силикаты, сульфаты, ванадаты, минералы органического происхождения. Перечень гидротермальных и рудных минералов достиг более 30 наименований для первых и 60 для вторых. Приводятся отложения пещер, возникших в процессе вулканической деятельности - лавовые кораллиты и геликтиты; сталактиты и сталагмиты, образованные из глины и песка; рассмотрен ряд и других редких форм пещерного седиментогенеза. В отечественной литературе уже существуют разработки, учитывающие данную классификацию, особенно в разделе описания пещерного минералообразования (Турчинов, 1996). Учитывая всю сложность приведенной классификации, остановимся здесь на первой классификации, наиболее известной отечественным спелеологам.

Субтерральные отложения. К типу субтерральных образований (возникших в воздушной среде, выше контакта с водной поверхностью) относятся сталактиты, бахрома, занавеси, геликтиты, сталагмиты, сталагнаты, покровы, щиты, кораллиты, известковое (лунное) молоко и др.

Сталактиты широко распространены в карстовых пещерах. Изредка встречаются также в полостях другого генезиса, где имеют не только карбонатный состав, но и слагаются минеральными видами железисто-магнезиального, сульфидного, органогенного и др. состава. Встречаются сталактиты от тонких (2-4 мм) трубочек длиной 0,2-1,0 м до различных конических форм диаметром 50-60 см и длиной до 4-5 м. При закупорке центрального канала сталактиты приобретают овальное полукруглое сечение. Плотность сталактитов (количество на 1 м 2) на отдельных участках пещер достигают 20-30 штук. Часто они располагаются рядами, маркируя разрывные нарушения, имеющие достаточные водопритоки. Сталактиты растут от сводов полостей, подчиняясь вектору гравитационных сил. Основным факторов образования сталактитов и многих других карбонатных хемогенных натеков является «сброс» карбоната кальция на геохимическом барьере за счет разницы содержания СО 2 в растворе, поступающем к сталактиту, и в воздухе пещеры.

Сталагмиты образуются на полу пещер, уступов стен и пещерных отложениях. Они образуются в результате дегазации СО 2 при ударе капель воды о пол пещеры. Сталагмиты в карстогенных пещерах могут быть представлены всеми разновидностями, описанными в литературе: сталагмиты-палки диаметром 2-3 и высотой до 3 м; конические, цилиндрические и пагодообразные диаметром 5-80 см и высотой до 4-5 м; пальмовые диаметром до 20 см и высотой до 3 м; сталагмиты неправильной формы, достигающие 2-3 м в диаметре при высоте 4-6 м. Часто сталагмиты также трассируют крупные трещины в своде, откуда поступает вода, располагаясь по одной или нескольким прямым линиям.

Сталагнаты или колонны образуются при смыкании крупных сталактитов и сталагмитов, располагаясь в основании крупных водообильных трещин. Они могут достигать 12-18 м в высоту и диаметра до 5-6 м и веса 130-1100 т. Иногда разросшиеся сталагнаты могут разделять крупные пещерные галереи на ряд изолированных залов.

Натечная кора, покровы образуются при поступлении раствора из горизонтальной трещины или ниши в стене. Они часто образуют каскады натеков, достигающие высоты 20-30 м и ширины до 30 м по фронту. Поверхность таких покровов волнистая, гладкая иногда выветренная. При вымывании из-под коры водных механических отложений возникают «висячие коры», иногда располагающиеся друг от друга на значительном расстоянии. Для них часто характерна слоистость, корродированность и ожелезненность отдельных прослоев.

Бахрома и занавеси образуются при просачивании воды из длинной трещины или при стекании ее вдоль уступа.

Кальцитовые щиты, барабаны и флаги. Они сравнительно редки. Первые представлены круглыми пластинами диаметром до 1 м, иногда и более, несущие на внешней поверхности сталактиты. Вторые имеют вид флага, прикрепленного к стене полости. Их происхождение дискуссионно. Некоторые исследователи считают, что это остатки кальцитовых кор, повисшие в воздухе после вымывания глинистого субстрата. Более вероятно, что они возникли при концентрическом нарастании слоев при питании из капиллярной трещины (Степанов, 1999).

Геликтиты - это сложные по морфологии образования, формирующиеся на сводах, стенах и на разных субтерральных отложениях. В зоне их роста, как правило, движение воздуха отсутствует. Они растут в произвольном направлении, изгибаясь под любым углом, не подчиняясь гравитации. По всей видимости, кристаллизационные силы являются основными в их морфологии. Встречаются сравнительно редко.

Кораллиты образуются при кристаллизации из водных пленок различного (часто аэрозольного) происхождения. Они встречаются на вертикальных, наклонных и горизонтальных поверхностях коренных стен и натечных образований. В зонах ежегодного подтопления они могут «бронироваться» тонкой корочкой марганцевых минералов и имеют характерный коричневый цвет. Встречаются как на участках с интенсивным движением, так на участках с затрудненной циркуляцией воздуха.

Известковое (лунное) молоко – это творожистые (в переувлажненном состоянии) или мучнистые (в воздушно-сухом состоянии) образования, покрывающие стены и натеки. Встречаются редко. Являются особой формой пленочной кристаллизации. С поверхности оно состоит из аморфных кальцитовых зерен, пронизанных паутиной тонких (0,1-0,05 мкм) кальцинированных нитей, возможно, органического происхождения. Внутренняя часть аморфная. Консистенция, как правило, сметаноподобная. При высыхании превращается в мучнистое вещество.

Антолиты - каменные цветы. Растут основанием, вытягиваясь от материнской породы. Они образуются только хорошо растворимыми минералами (гипс, эпсомит, тенардит, селитра). Из каждой подводящей поры растет один свободный кристалл. Он может срастаться с другими кристаллами или сворачиваться сложной дугой.

Субаквальные отложения . Формируются ниже уровня воды или на контакте водной поверхности с воздухом.

В полостях, полностью заполненных водой, могут возникать одиночные кристаллы или их друзы. В гидротермокарстовых пещерах отлагаются минералы гидротермального ряда: сфалерит, кварц, кальцит, пирит, галенит, киноварь, флюорит, арагонит, барит, халькозин, минералы урано-ториевой группы, минералы редких и благородных металлов и др. В этих пещерах могут возникнуть рудные залежи. Для гидротермальных пещер, полностью затопленных водой, характерно нарастание кристаллов, часто шестоватых по форме, по всей поверхности стен. Для холодных пещер кристаллообразование приурочено к отдельным ее частям.

Чаще всего в спелеологической практике приходится иметь дело с полостями, частично заполненными водой. Субаквальные отложения представлены кальцитовыми пленками и заберегами, обрамлениями, гурами, пещерным жемчугом и др.

Кальцитовые пленки возникают на поверхности воды подземных озер. Они возникают в результате кристаллизации на поверхности подземных озер при газообмене с атмосферой пещеры. Образуют тончайшие пленочки, удерживающие на воде силой поверхностного натяжения. Встречаются как в карбонатных, так и в сульфатных пещерах. В слабопроточных озерах они могут образовывать так называемые «запечатанные гуры», полностью закрытые сверху кальцитовой коркой. Кальцитовые пленки состоящие из карбоната кальция (97%) и глинистых частиц (3%) могут образовываться на поверхности ледяных сталактитов, сталагмитов, пристенных ледяных потоков (пещера Дружба, Урал).

Кальцитовые обрамления (забереги) образуются при примыкании пленки к берегу или к сталактиту, сталагмиту. Широко распространены в крымских пещерах. Они образуются на бортах слабопроточных и непроточных озер вследствие снижения их уровня. На сталактитах, свисающих в озеро, и на сталагмитах, поднимающихся со дна, возникают кружевные оторочки всевозможной формы и размеров. В карстологии они считаются минеральными индикаторами уровня затопления пещер.

Кальцитовые плотины (гуры) широко распространены во многих карстовых областях России. Высота их плотин колеблется в широких пределах от 0,2 до 7,0 м, площадь озер за гурами составляет от 2 до 200 м 2 . Отложение кальцита происходит за счет изменения гидрохимического баланса потока у комплексного термогеохимического и гидрофизического барьера, возникающего при перетоке воды из ванночки вниз по плотине. Здесь образуется тонкий слой осажденного кальцита. Гуры, образовавшиеся при водопритоке 0,001-0,100 л/с, располагаются в одиночку или небольшими группами в основании крупных фильтрующих трещин, в зонах площадной инфильтрационной или конденсационной капели, в сужениях боковых притоков, недоступных для дальнейшего прохождения. Для них характерны значительные колебания высоты натечных плотин (0,5-5,0 м) и площади озер за ними (0,2-15,0 м 2), небольшая длина плотин (0,2-1,2 м), сильная выпуклость их стенок вниз по потоку. Стенки плотин сложены пористым карбонатным материалом (плотность 2,2-2,4 г/см 3) и обрамлены с внутренней стороны кальцитовыми оторочками. На дне их часты скопления костей летучих мышей и мелких грызунов, обломки сталактитов, кальцитовые пизолиты. Галька вмещающих пород, как правило, отсутствует. Кальцитовые плотины обычно сохраняются целыми, а озера переполняются водой только после дождей и снеготаяния. Подобные гуры формируются у комплексного механико-термодинамического барьера (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002).

Гуры, образовавшиеся в проточных условиях при водопритоке 0,1-100,0 л/с, резко отличаются от описанных по морфологии. Некоторые из плотин Красной пещеры в Крыму состоят из почти 11 тысяч сезонных слоев. Они характеризуются значительной высотой (0,2-7,0 м), большой площадью плотинных озер (10-200 м 2), большой длиной (обычно 3-4 м, максимально – 13 м). Плотины имеют сложный ступенчатый профиль с преобладанием вертикальных участков. Сложены они более плотным карбонатным материалом (объемный вес 2,4-2,6 г/см 3). Внутренняя и особенно внешняя стенки плотин отшлифованы водой, а иногда «бронированы» плотным блестящим карбонатно-марганцевым налетом толщиной 0,2-0,3 мм. На днищах плотинных озер этого типа присутствует хорошо окатанный гравийный и песчано-галечниковый материал автохтонного (вмещающие известняки и натеки) и аллохтонного (кварцевая галька) происхождения. Гуры могут образовывать каскады, расположенные вниз по потоку. Каскады гуров известны во многих карстовых полостях. Характерной особенностью проточных гуров является их прорыв при увеличении обводненности. Например, в Красной пещере лишь 16% всех гуров удерживает воду. Остальные плотины прорваны, причем в 45% случаев это узкий (10-30 см) пропил, в 35% - это прорыв стенки эворзионного котла в теле плотины, в 20% - прорыв основания гура с образованием натечно-аккумулятивного моста на высоте 0,2-2,1 м над современным водотоком.

Кальцитовые оолиты и пизолиты встречаются в мелких слабопроточных озерах, в небольших углублениях, образованных каплями, падающими со сталактитов или сводов пещер, в гуровых озерах и др. Оолиты и пизолиты отличаются между собой только размерами. Их округлые белого цвета разности называются пещерным жемчугом. Оолиты имеют овальную форму при средних размерах 5-10 мм.

Повышение температуры воды в проточных ванночках вызывает снижение карбонатной емкости подземных вод и, как следствие, более активное формирование пещерного жемчуга.

Пещерные оолиты и пизолиты образованы центральным ядром и окружающими его концентрическими слоями. Пизолиты состоят в основном из карбоната кальция. Плотное ядро обычно состоит из обломков вмещающих пещеры известняков, песчинок кварца, реже – комочков глины, кусочков трубчатых сталактитов, мелких косточек птиц. Форма ядра определяет первоначальные очертания пизолитов, иногда сохраняющиеся до конечной стадии. Известны случаи, когда после нарастания 30-40 концентров ориентация большого диаметра пизолита меняется. Это свидетельствует о его повороте в процессе роста. Количествослоев в самых крупных пизолитах достигает 180-200. В отдельных пересыхающих ванночках найдены жемчужины, разбитые трещинами усыхания. Это указывает на обезвоживание и «старение» первоначального коллоидного сгустка. Таким образом, пещерный жемчуг является полигенетическим образованием.

Химический состав оолитов и пизолитов соответствует составу вмещающих известняков.

Известковый туф является специфическим образованием, возникающим у выходов подземных вод, связанных с пещерами. Обычно это отложения холодных вод, но имеются туфы, образованные гидротермальными источниками. Отложение туфов происходит из вод гидрокарбонатного кальциевого, магниево-кальциевого и натриево-кальциевого состава при минерализации 250-440 мг/л. Отложение карбоната связано с комплексным биомеханико-термодинамическим барьером, возникающим на участках с турбулентным режимом перемешивания воды на перекатах, скальных порогах и водопадах (Вахрушев, 2010.). Туф оседает на поверхности листостебельных и водяных мхов, ветвях кустарников и деревьев, принесенных водотоком. Туфы слагают так называемые «туфовые площадки» у выходов некоторых карстовых пещер-источников и могут достигать объемов до 400 тыс. м 3 (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002).

5. Кристаллы автохтонных минералов
К нимотносятся прежде всего кристаллы кальцита в карбонатном карсте, гипса в сульфатном и галита в соляном. Кристаллы исландского шпата встречены в ряде карстовых полостей Крыма, Кавказа, Средней Азии и др. Как правило, они размещаются в расширениях трещин, выполненных желто-бурой глиной. Кристаллы чаще всего не соприкасаются со стенками полости. Средние размеры кристаллов исландского шпата для карстовой шахты Ход конем (Крым) составляет 8-10 см, хотя здесь же встречены индивидуумы до 15 см длиной (Дублянский, 1977). Кристаллы прозрачные, бесцветные или светло-серые. Формирование исландского шпата связано с термальными водами.

Кальцитовые кристаллы . В ряде пещер карбонатного карста России встречаются скелетные формы кристаллов кальцита размерами от нескольких миллиметров до 5-7 см. Крупные кристаллы имеют пирамидальный габитус. Часты кристаллы различных размеров, габитусной формой которых является скаленоэдр. Очевидно, они возникли в субаэральных условиях из холодных растворов (температура менее 20°С).

В ряде карстовых полостей, претерпевших гидротермокарстовый этап своего развития, встречаются выступающие над поверхностью стен отпрепарированные кальцитовые жилы. Поверхность жильного кальцита корродирована, местами покрыта остаточной глиной, окислами марганца или карбонатными натеками. Кристаллы кальцита слабо люминесцируют в светло-голубых и синих цветах. Спектральный анализ выявил наличие в них ряда элементов: Ba, Na, Sn, Cu, Ni, Sr, B, Al, Si, Mn, Fe, Mg, Ti. Температура гомогенизации включений в них колеблется от 40 до 120°С (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002).

Кристаллы фреатического (субаквального) кальцита могут покрывать сплошной корой стены карстовых ходов. Сложены они параллельно-шестоватыми кристаллами кальцита коричневого цвета толщиной от 5 до 60 см. Их происхождение связано с гидротермальным этапом происхождения полостей. Встречаются твердые включения кристаллов доломита, агрегаты барит-стронцианита, гидроксилапатита, гидроокислы марганца, антимонит, апатитовые и апатит-бруштитовые минеральные метасоматические ассоциации и др. (Климчук, Тимохина, 2011).

Гипсовые кристаллы, хотя и характерны для сульфатного карста, однако достаточно часто встречаются и в карбонатном карсте, особенно если участок пещеры располагается близ тектонического нарушения, в зоне, где отмечаются лишь годовые колебания температуры и влажности воздуха, не превышающие 0,2°С и 0,3 мм рт. ст.

На карстующихся породах, покрытых глиной, растут гипсовые стяжения зубчатой формы, сложенные крупнокристаллическим гипсом. Кристаллы гипса обычно призматические, вследствие вторичного растворения редко сохраняющие правильные кристаллографические очертания. На участках поступления поровых растворов образуются гипсовые цветы – антолиты. В карбонатном карсте гипсовые кристаллы образуются при воздействии инфильтрационных вод на рассеянный в известняках пирит. Они являются признаком близости крупных разрывных зон.

Кристаллы арагонита . Встречаются в пещерах Крыма, Предуралья, Сибири, Дальнего Востока и др. Арагонит представлен в виде кристаллов, сталактитов, сталагмитов, геликтитов. Нахождение арагонита, возможно, связано с гидротермальными процессами.

6. Органогенные отложения
Органогенные отложения пещер чаще всего представлены фосфоритами, гуано, костной брекчией, селитрой, отложениями колониальных микроорганизмов.

Гуано и фосфориты пещер. Фосфориты и фосфорсодержащие минералы образуются в карстовых полостях, населенных наземными позво­ночными. Во многих пещерах России имеются участки с залежами гуано летучих мышей. Минералогия фосфорсодержащих образований на контакте гуано и коренных известняков практически неизвестна. Между тем, в отложениях пещер Мира описано более 50 фосфатов, в том числе – много редких минералов (Hill, Forti, 1997).

Отложения костей современной и более древних эпох в массовых количествах встречаются достаточно редко. Большие скопления костей могут образовывать так называемые костяные брекчии. По виду это рыхлая песчано-глинистая красно-бурая порода с большим содержанием окислов фосфора, кремнезема, алюминия и железа. Имеются костяные брекчии, сцементированные карбонатом. Иногда встречаются псевдоморфозы по ископаемым костным остаткам фауны гидроокислов железа и марганца, гипса, кальцита, карбонатапатита. Описан карбонатгидроксилапатит в виде шарообразной формы размером до 3-5 мм желтого, янтарно-желтого, розовато-белого цвета (Тищенко, 2008). Археологические и палеонтологические исследования костей различных животных древних эпох - важный материал для палеогеографических реконструкций (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002; Бачинский, 1970; Ридуш, Времир, 2008). Чаще всего в пещерах встречаются костные остатки зайца, оленя, лисицы, пещерного медведя, быка, хомяка, слепыша, барсука, собаки, косули, лошади, значительно реже - пещерного льва, пещерной гиены, мамонта, волосатого и этрусского носорога. Большинство костных остатков имеют плейстоценовый возраст - до 1,5 млн. лет. Несколько реже встречаются плиоценовые местонахождения возрастом 2 и более млн. лет (Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002).

Селитра . Залежи биогенной селитры в виде мучнистых налетов, кор и мелких кристаллов связаны с биохимическим разложением азотсодержащих органических веществ в пещерах. Они известны в пещерах Крыма, на Северном Кавказе, в Средней Азии, Сибири, Дальнего Востока и др.

Отложения колоний микроорганизмов , среди которых наиболее активны с седиментационной точки зрения являются железобактерии. В результате их жизнедеятельности возникают биохемогенные образования - микробиолиты (пленки, микро сталактиты и сталагмиты, коры и др.), образующиеся на стенах и днищах пещер. Они могут также образовывать сталагмитоподобные, трубчатые, коралловидные, натековидные и другие формы (Андрейчук, 2009).

7. Антропогенные отложения
Антропогенные отложения представляют собой следы жизнедеятельности современного и древнего человека. Их исследования позволяют установить характер использования каждой конкретной пещеры или искусственные полости (Дублянский, Дублянская, Лавров, 2001). Археологические исследования карстовых регионов России показали, что пещеры использовались древним человеком, начиная с раннего палеолита. Данные материалы имеются в региональных сводках практически для каждого крупного карстового района страны.
Для изучения отложений полостей используется широкий набор полевых и лабораторных методов исследований. Их применению посвящена достаточно обширная, в основном карстологическая, литература (Ниязов, 1983; Дублянский, Вахрушев, Амеличев, Шутов, 2002 и др.).

Рис.3 Кальцитовые оторочки на уровне стояния воды подземного озера.
Рис.4. Кальцитовые оторочки (забереги) нескольких уровней стояния воды подземного озера




Рис.5. Каскадный натек
Рис.6. Кальцитовые драпировки и сталагмиты нескольких генераций




Рис.7. Пещерный зал с различными натечными образованиями
Рис.8. Сросшиеся сталактиты и сталагмиты на кальцитовой коре





Рис.9 Кристаллы целестина (сульфата стронция) на фоне белого кальцитового натека (фото Л.Гомарева, А.Шелепин)
Рис.10. Геликтиты (фото Л.Гомарева, А.Шелепин)
Рис.11. Гипсовые цветы – антолиты (фото Л.Гомарева, А.Шелепин)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андрейчук В.Н. Cистемная природа карстового ландшафта // Спелеология и карстология. – 2009. - №3. – С. 47-59.

Бачинский Г. А. Тафономическая характеристика местонахождений ископаемых позвоночных в карстовых пещерах Украины // Физическая география и геоморфология (Карст Украины). - 1970. - №4. - С. 153-159.

Вахрушев Б.А., Дублянский В.Н., Амеличев Г.Н. Карст Бзыбского хребта. Западный Кавказ. - Москва: РУДН, 2001. – 170 с.

Вахрушев Б.А. Роль геохимических превращений в карстовом геоморфогенезе // Спелеология и карстология. - 2010. - №4. - С. 33-43.

Дублянский В.Н., Клименко В.И., Вахрушев Б.А. Карст и подземные воды карстовых массивов Западного Кавказа – Л.: Наука, 1985. – 150 с.

Дублянский В.Н. Карстовые пещеры и шахты Горного Крыма. – Л.: Наука, 1977. – 180 с.

Дублянский В.Н., Дублянская Г. Н.Карстоведение. Часть 1. Общее карстоведение. - Пермь: ПГУ, 2004. - 307 с.

Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н., Лавров И.А. Классификация, использование и охрана подземных пространств. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 195 с.

Дублянский В.Н., Полканов Ю.А. Состав водных хемогенных и механических отложений карстовых полостей Горного Крыма // Пещеры. - Пермь, 1974. - Вып. 14-15. - С. 32-38.

Кизевальтер Д.С., Рыжова А. А. Основы четвертичной геологии. – М: Наука, 1985. - 177 с.

Кожевников А.В. Антропоген гор и предгорий. - М.: Недра, 1985. - 181 с.

Крубер А. А. Карстовая область Горного Крыма. - М., 1915. - 319 с.

Климчук А.Б., Тимохина Е. И. Морфогенетический анализ пещеры Таврская (Внутренняя гряда Предгорного Крыма) // Спелеология и карстология. - 2011. - №6. - С. 36-52.

Дублянский В.Н., Вахрушев Б.А., Амеличев Г.Н., Шутов Ю.И.. Красная пещера. Опыт комплексных карстологических исследований - М. : РУДН, 2002. - 190 с.

Максимович Г. А. Основы карстоведения Т. 1. – Пермь: Пермское книжное изд-во, 1963. – 444 с.

Проблемы изучения карстовых полостей южных областей СССР / под ред. Р. А. Ниязова. - Ташкент: Фан УзССР, 1983. - 150 с.

Ридуш Б.Т., Времир М.Итоги и перспективы палеонтологического изучения пещер Крыма // Спелеология и карстология. - 2008. - №1. - С. 85-93.

Степанов В. И. Минералогия пещер // Пещеры. - Пермь, 1999. - С. 63-71.

Тищенко А.И. Минералогическая изученность карстовых полостей Крыма // Спелеология и карстология. - 2008. - №1. - С.81-84.

Турчинов И. И. Генетическая классификация пещерных минералов и спелеоминеральные формации // Свет. - 1996. - №1 (14). - С. 24-26.

Шанцер Е.В. Очерки учения о генетических типах континентальных осадочных образований. - М.: Наука, 1966. - 239 с.

Шутов Ю.И. Условия формирования, гидродинамическая гидрохимическая зональности трещинно-карстовых вод Главной гряды Горного Крыма. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Киев, 1971. – 22 с.

2. Hill C.A., Forti P.Cave minerals of the World. - Huntsville, Alabama, U.S.A. - 1997. - 462 p.

Имеет следующую основу. Основные закономерности формирования хемогенных отложений и особенности кристаллизационной аккумуляции пещер на примере Анакопийской пропасти изучались В. И. Степановым (1971). По его мнению, общий ход кристаллизации каждого отдельного участка этой пещеры идет по схеме: туфовая сталактит-сталагмитовая кора – кальцитовая сталактит-сталагмитовая кора – кораллиты – гипс. Рис. 1 Стадии эволюции карбонатного литогенеза пещер (по Г.А. Максимовичу): 1– покровные натеки; 2 – гуры; 3 – массивные сталагмиты; 4 – пагодаобразные сталагмиты; 5 – пальмовые сталагмиты; 6 – конические сталактиты; 7 – сталагмиты-палки; 8 – трубчате сталактиты; 9 – уплощенные сталактиты; 10 – эксцентрические сталактиты; 11 – эксцентрические эксудаты . Наиболее детальная схема спелеолитогенеза разработана Г.А. Максимовичем (1965). Он показал, что характер и морфология хемогенных образований зависят от величины притока воды и парциального давления углекислого газа, которые значительно изменяются на разных стадиях развития пещеры. При больших притоках воды (1–0,1 л/сек) выпадающий из раствора карбонат кальция образует на полу пещеры покровы и гуры (рис. 1).
Хемогенные образование в пещерах зависят от величины притока воды и парциального давления углекислого газа. Последние нередко располагаются каскадами. Когда приток воды из трещин и отверстий в потолке пещеры уменьшается, то создаются условия для формирования массивных (0,01–0,001 л/сек), пагодаобразных (0,001–0,005 л/сек) и пальмовых (0,005–0,0001 л/сек) сталагмитов. При дальнейшем уменьшении притока воды, насыщенной карбонатом кальция, возникают сначала конические сталактиты (10- 4–10-5 л/сек), а затем – сталагмиты-палки (10-5–10-6 л/сек). Особый интерес представляет класс, притоков с дебитом 10-4–10-5 л/сек (или 0,1– 0,01 см 3 /сек), определяющих переход от нижней лито-аккумуляции к верхней, а также их совместное развитие. При ничтожно малых притоках воды образуются трубчатые сталактиты (10-3 –10-5 см 3 /сек), сложные сталактиты с широким основанием (10-5 –10-6 см 3 /сек) и эксцентри-ческие сталактиты (10-6 –10-7 см 3 /сек). В формировании эксцентрических сталактитов принимают участие также конденсационные воды. На этом этапе спелеолитогенеза силы кристаллизации доминируют над силой тяжести, которая играла главную роль при более значительных притоках. Заключительным звеном генетического ряда хемогенных образований являются , связанные с выпадением кальцита из конденсационных вод, которые на этой стадии представляют единственный источник поступления влаги.

Схема образования спелеоформ

Предложенная Г. А. Максимовичем (1965) схема образования спелеоформ имеет важное теоретическое и методическое значение. Она позволяет наметить стройный генетический ряд карбонатного литогенеза пещер, основанный на учете количественных показателей стока подземных вод и парциального давления углекислого газа, изменение которого во времени связано со стадиальностью развития карстовых полостей. В этой схеме, к сожалению, не определено положение многих широко рас-пространенных натечных форм (колонны, занавеси, драпировки и др.), что обусловлено, с одной стороны, ограниченностью материала экспериментальных наблюдений, а с другой – общей слабой разработанностью рассматриваемой проблемы.

Хемогенные или водно-хемогенные образования

Хемогенные или водно-хемогенные образования, делающие многие пещеры необыкновенно красивыми, являются лишь одним из типов пещерных отложений. Кроме них в пещерах (по классификации Д.С. Соколова и Г.А.Максимовича) встречаются также различные другие отложения, которые по происхождению подразделяются на остаточные, водно-механические, обвальные, гляциогенные, органогенные, гидротермальные и антропогенные.

Остаточные отложения

Остаточные отложения образуются в результате выщелачивания карстующихся пород и аккумуляции на дне пещер нерастворимого остатка, представленного в основном глинистыми частицами. Пещерные глины лучше всего изучены в сухих галереях Анакошийской пещеры, где они достигают мощности 0,45м. Верхняя часть толщи остаточных глин состоит преимущественно из тонкодисперсных частиц, а нижняя – из неравномернозернистых. В составе этих глин преобладают (более 63%) частицы размером от 0,1 до 0,01 мм. Водно-механические отложения представлены аллювием подземных рек, осадками пещерных озер и аллохтонным материалом, принесенным в пещеры через трещины, органные трубы и колодцы. Они сложены песчано-глинистым материалом. Мощность этих отложений обычно невелика. Лишь под органными трубами они образуют глинистые осыпи, иногда имеющие вид островерхих конусов высотой до 3 м и более.

Пластичные глины

Особенно интересны пластичные глины Анакопийской пещеры, занимающие площадь более 10 тыс. м2. Они покрывают пол Глинистого грота и большую часть гротов Абхазии и Грузинских Спелеологов. Предположительно мощность этих глин достигает 30 м. Пластичные глины образованы преимущественно мельчайшими частицами диаметром меньше 0,01 мм, на которые приходится свыше 53%. Они имеют алеврито-пелитовую структуру и обычно окрашены водными окислами железа. Эти глины образовались в результате осаждения мелких частиц на дне временных водоемов, образовавшихся в южной части пещеры, вследствие проникновения сюда атмосферных осадков, отличающихся значительной мутностью. Периодичность и длительность накопления пластичных глин подтверждаются наличием в них различных горизонтов.

Обвальные отложения

Обвальные отложения состоят обычно из крупных хаотически нагроможденных глыб горных пород, обрушившихся со сводов и стен подземных полостей. Интересные подсчеты в этом отношении проведены в Анакопийской пещере. Они показали, что объем обрушенного материала в гротах Храм, Абхазия и Грузинских Спелеологов составляет примерно 450 тыс. м 3 (т. е. более 1 млн. т породы), причем объем отдельных глыб достигает 8–12 м 3 . Мощные глыбовые навалы отмечены также во многих других пещерах. Среди глыбово-обвальных отложений нередко встречаются обломки кальцитовых натечных образований ( , ), связанные с обрушением сводов. Чаще всего наблюдаются старые обвальные отложения, покрытые глиной и кальцитовыми натеками. Однако в некоторых пещерах можно встретить и совершенно свежие обвалы.

Гляциогенные отложения

Гляциогенные отложения. Во многих пещерах Советского Союза, где в течение всего года преобладают отрицательные температуры, отмечаются ледяные образования. К наиболее известным ледяным пещерам относятся Кунгурская, Кулогорская, Балаганская и Абогыдже. карстовых полостей–ледников, широко распространенных в Крыму, на Кавказе, Русской равнине, Урале и Средней Сибири, подразделяются на следующие основные типы: сублимационный, инфильтрационный, конжеляционный и гетерогенный.

Органогенные отложения

Органогенные отложения – гуано и костяная брекчия встречаются во многих пещерах Советского Союза. Однако фосфоритовые залежи этих пещер отличаются значительной мощностью и занимают сравнительно небольшие площади. Крупные скопления гуано отмечены в Бахарденской пещере, где они занимают площадь 1320 м 2 . Мощность этих отложений достигает 1,5 м, а общий запас – 733 т. В результате взаимодействия фосфатов залежей гуано с карбонатными породами и кальцитовыми натечными образованиями формируются метасоматические фосфориты.

Гидротермальные отложения

Гидротермальные отложения в карстовых пещерах встречаются сравнительно редко. Наибольший интерес в этом отношении представляют пещеры в верховьях реки Магиан (Зеравшанский хребет), развитые в верхнесилурийских известняках. Они содержат исландский шпат, флюорит, кварц, антимонит, киноварь и барит. Происхождение этих пещер связывается с действием гидротермальных растворов, циркулировавших по тектоническим трещинам. Образование и накопление минеральных отложений в этих пещерах произошло на более поздних стадиях их развития.

Антропогенные отложения

Антропогенные отложения в пещерах представлены главным образом остатками древних материальных культур, находимых преимущественно в ближних частях пещер. В последнее время в связи с частым посещением пещер туристами и спелеологами в них накапливаются различные отложения антропогенного происхождения (остатки пищи, бумага, использованные электрические батарейки и т. д.).

В Европе и Азии находится множество доисторических стоянок гоминин с инструментами и другими рукотворными предметами, однако находки останков древних людей не слишком многочисленны. Исследователи из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка в сотрудничестве с коллективом археологов и палеонтологов, в том числе с известным российским археологом Анатолием Деревянко, нашли способ «выловить» крошечные фрагменты ДНК, принадлежавшие множеству млекопитающих, в том числе древним людям, из отложений в пещерах. О новом методе, который может осуществить революцию в археологии, ученые рассказали в журнале Science .

Изучая ДНК неандертальцев и денисовцев, исследователи воссоздают нашу собственную эволюционную историю. Однако ископаемые останки древних людей встречаются редко, да и те не всегда пригодны для генетического анализа.

«Мы знаем, что некоторые компоненты отложений могут связывать ДНК, — рассказывает Маттиас Мейер, один из исследователей. — Так что мы решили выяснить, может ли ДНК гоминин сохраниться в отложениях на древних стоянках, где те жили».

Задавшись этой целью, Мейер и другие ученые объединились со множеством исследователей, которые вели раскопки на семи археологических объектах в Бельгии, Хорватии, Франции, России и Испании. Они собрали образцы отложений возрастом 14-550 тыс. лет. Используя совсем небольшое количество материала, исследователи восстановили и проанализировали фрагменты митохондриальной ДНК и идентифицировали их как принадлежащие к двенадцати различным видам млекопитающих, в том числе шерстистому мамонту, шерстистому носорогу, пещерному медведю и пещерной гиене.

Подготовленный к анализу образец отложений

S. Tupke/MPI f. Evolutionary Anthropology

Затем команда занялась поиском в образцах непосредственно ДНК гоминин. «Мы подозревали, что в большинстве наших образцов будет слишком много ДНК млекопитающих, чтобы обнаружить следы человеческой ДНК, — рассказывает доктор Вивиан Слон, ведущий автор исследования. — Так что мы сменили стратегию и нацелились на конкретно фрагменты ДНК, принадлежащей человеку». Исследователи разработали молекулярный «крюк» из современной ДНК человека, с помощью которого «выловили» последовательности, наиболее похожие на него. Они беспокоились, что ДНК гоминин будет настолько скудной, что ее не удастся обнаружить. «У меня отвисла челюсть», — описывает свои эмоции в момент нахождения ДНК неандертальцев Слон. Достаточное количество ДНК гоминин для дальнейшего анализа удалось выделить из девяти образцов. Восемь из них содержали митохондриальную ДНК одного или нескольких неандертальцев, а один — ДНК денисовского человека.

«Это действительно революционный подход. Если все действительно так круто, как сообщается в статье, то палеоантропологов в ближайшем будущем должно ждать много открытий, — делится с «Газетой.Ru» впечатлениями , популяризатор науки и главный редактор портала «Антропогенез.ру».

— Вообще-то технология появилась не вчера — это то, что называется метагеномный анализ: когда берут некий образец из окружающей среды и выделяют из него всю ДНК, какую найдут. Например, из воды в озере, или из донных отложений, или из почвы. В таком «метагеноме» могут быть фрагменты ДНК тысяч живых существ — в первую очередь микроорганизмов, но не только. С помощью специально разработанных процедур специалисты определяют, кому принадлежали эти «кусочки кода».

«Извлекая ДНК гоминин из отложений, мы можем получить информацию о присутствии групп гоминин в местах, где это нельзя было обнаружить другими способами, — отмечает генетик Сванте Паабо. — Это показывает, что ДНК-анализ отложений — очень полезная археологическая процедура, которая может в будущем стать общераспространенной практикой».

ДНК удалось выделить даже из образцов, которые годами хранились при комнатной температуре. Анализ этих и других, более свежих, образцов позволит значительно углубить имеющиеся знания об эволюции человека.

«Недавно так поступили с зубным камнем неандертальцев — и узнали, каких животных и какие растения те ели десятки тысяч лет назад, — рассказывает Соколов. — А вот теперь пошли еще дальше.

Что дает такой подход? Возможность изучать памятники, на которых человеческих останков вообще нет. А ведь таких памятников большинство!

Например, на Русской равнине много стоянок среднего палеолита, но человеческих останков почти нет. Поэтому, строго говоря, мы не знаем, что за люди это были. Вероятно, неандертальцы — а вдруг нет? Новый подход позволит ответить на этот вопрос».

Вода не только создает пещеры, но и украшает их. Хе­могенные образования, делающие пещеры удивительно красивыми и неповторимыми, крайне разнообразны. Они формируются тысячелетиями. Основную роль в их обра­зовании играют инфильтрационные воды, просачивающие­ся через толщу карбонатных пород и капающие с потол­ка карстовых пещер. В прошлом эти формы называли капельниками, причем различали «капь верхнюю» и «капь нижнюю».

Впервые происхождение натечных образований было объяснено великим русским ученым М. В. Ломоносовым: «Капь верхняя подобна во всем ледяным сосулькам. Ви­сит на сводах штольны натуральных. Сквозь сосульки, коих иногда много разной длины и толщины вместе срос­лись, проходят сверху вертикальные скважины разной ши­рины, из коих горная вода каплет, долготу их наращает и производит капь нижнюю, которая растет от падаю­щих капель из верхних сосулек. Цвет капи, а особливо верхней, бывает по большей части, как и накипи, белой, сероватой; иногда, как хорошая ярь, зеленой, или совсем вохряной».

Натечные образования формируются обычно после воз­никновения подземных полостей (эпигенетические) и очень редко одновременно с ними (сингенетические). По­следние в карстовых пещерах, очевидно, не наблюдаются.

Хемогенные отложения пещер издавна привлекали к себе внимание исследователей. Между тем вопросы клас­сификации и типизации их до последнего времени разра­ботаны крайне слабо. Среди специальных исследований выделяется работа В. И. Степанова (1971), который под­разделяет минеральные агрегаты пещер на три типа: сталактит-сталагмитовая кора (сюда включаются продук­ты кристаллизации из свободно стекающих растворов, т. е. сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, драпировки, натеки на стенах и полу пещер), кораллиты (к этому типу относятся минеральные агрегаты, возникшие из капил­лярных водных пленок на поверхности подземных поло­стей и натечных форм) и антолиты (этот тип представ­лен скручивающимися и расщепляющимися при росте параллельно-волокнистыми агрегатами легкорастворимых минералов - гипса, галита и др.). Хотя в основу этой типи­зации положен генетический классификационный признак, теоретически она недостаточно обоснована.

Наибольший интерес представляют классификации хе­могенных форм, предложенные Г. А. Максимовичем (1963) и 3. К. Тинтилозовым (1968). На основе учета этих ис­следований хемогенные образования могут быть подраз­делены на следующие основные типы: натечные, коло­морфные и кристаллитовые.

Натечные образования, имеющие широкое распрост­ранение в пещерах, по форме и способу происхождения подразделяются на две большие группы: сталактитовые, образующиеся за счет известкового вещества, выделяюще­гося из капель, висящих на потолке, и сталагмитовые, формирующиеся за счет вещества, выделяющегося из упавших капель.

Среди натечных сталактитовых образований выделя­ют гравитационные (тонкотрубчатые, конусообразные, пластинчатые, занавесообразные и др.) и аномальные (в основном геликтиты).

Особенно интересны тонкотрубчатые сталактиты, об­разующие иногда целые кальцитовые заросли. Их фор­мирование связано с выделением карбоната кальция или галита из инфильтрационных вод. Просочившись в пе­щеру и попав в новые термодинамические условия, ин­фильтрационные воды теряют часть углекислого газа. Это приводит к выделению из насыщенного раствора коллоид­ного карбоната кальция, который отлагается вдоль пери­метра падающей с потолка капли в виде тонкого валика (Максимович, 1963). Постепенно наращиваясь, валики превращаются в цилиндр, образуя тонкотрубчатые, неред­ко прозрачные сталактиты. Внутренний диаметр труб­чатых сталактитов составляет 3-4 мм, толщина стенок обычно не превышает 1-2 мм. В отдельных случаях они достигают 2-3 и даже 4,5 м длины.

Среди сталактитов наиболее распространены кону­сообразные сталактиты (рис. 3). Рост их определяется за счет вод, стекающих по тонкой полости, расположен­ной внутри сталактита, а также за счет поступления кальцитового материала по поверхности натека. Нередко внутренняя полость располагается эксцентрично (рис. 4). Из отверстия этих трубочек через каждые 2-3 мин. капа­ет прозрачная вода. Размеры конусообразных сталакти­тов, располагающихся преимущественно вдоль трещин и хорошо их индицирующих, определяются условиями по­ступления карбоната кальция и величиной подземной полости. Обычно сталактиты не превышают 0,1-0,5 м дли­ны и 0,05 м в диаметре. Иногда они могут достигать 2-3, даже 10 м длины (Анакопийская пещера) и 0,5 м в диаметре.

Интересны сферические (луковицеобразные) сталак­титы, образующиеся в ре­зультате закупорки отвер­стия трубки. На поверхности сталактита возникают абер­рационные утолщения и узорчатые наросты. Сфериче­ские сталактиты из-за вто­ричного растворения кальция водами, поступающими в пе­щеру, нередко пустотелы.

В некоторых пещерах, где наблюдается значительное движение воздуха, встре­чаются изогнутые сталакти­ты - анемолиты, ось кото­рых отклонена от вертикали. Образование анемолитов оп­ределяется испарением сви­сающих капель воды на под­ветренной стороне сталакти­та, что вызывает изгибание его в направлении движения воздушного потока. Угол из­гиба у отдельных сталакти­тов может достигать 45°. Если направление движения воздуха периодически из­меняется, то формируются зигзагообразные анемолиты. Аналогичное происхожде­ние со сталактитами имеют занавеси и драпировки, сви­сающие с потолка пещер. Они связаны с инфильтрацион­ными водами, просачивающимися вдоль длинной трещины. Некоторые занавеси, состоящие из чистого кристалличе­ского кальцита, совершенно прозрачны. В нижних частях их нередко располагаются сталактиты с тонкими трубоч­ками, на концах которых висят капельки воды. Кальци­товые натеки могут иметь вид окаменевших водопадов. Один из таких водопадов отмечен в гроте Тбилиси Ана­копийской пещеры. Высота его около 20 м, а ширина 15 м.

Геликтиты - это сложно построенные эксцентрические сталактиты, входящие в подгруппу аномальных сталакти­товых образований. Они встречаются в различных частях карстовых пещер (на потолке, стенах, занавесях, ста­лактитах) и имеют самую разнообразную, нередко фан­тастическую форму: в виде изогнутой иглы, сложной спи­рали, скрученного эллипса, круга, треугольника и т. д. Игольчатые геликтиты достигают 30 мм в длину и 2- 3 мм в диаметре. Они представляют собой монокристалл, который в результате неравномерного роста меняет ори­ентацию в пространстве. Встречаются также поликри­сталлы, вросшие один в другой. В разрезе игольчатых геликтитов, растущих в основном на стенах и потолке пещер, не прослеживается центральная полость. Они бес­цветны или прозрачны, конец их заострен. Спиралеоб­разные геликтиты развиваются преимущественно на ста­лактитах, особенно тонкотрубчатых. Они состоят из мно­жества кристаллов. Внутри этих геликтитов обнаружива­ется тонкий капилляр, через который раствор достигает внешнего края агрегата. Образующиеся на концах гелик­титов капельки воды, в отличие от трубчатых и кониче­ских сталактитов, длительное время (многие часы) не от­рываются. Это определяет крайне медленный рост гелик­титов. Большинство их относится к типу сложных обра­зований, имеющих причудливо-замысловатую форму.

Сложнейший механизм возникновения геликтитов в настоящее время еще недостаточно изучен. Многие ис­следователи (Н. И. Кригер, Б. Жезе, Г. Триммель) фор­мирование геликтитов связывают с закупоркой канала роста тонкотрубчатых и других сталактитов. Поступаю­щая внутрь сталактита вода проникает в трещины между кристаллами и выходит на поверхность. Так начинается рост геликтитов, обусловленный преобладанием капил­лярных сил и сил кристаллизации над силой тяжести. Капиллярность является, по-видимому, главным фактором образования сложных и спиралеобразных геликтитов, на­правление роста которых первоначально в значительной мере зависит от направления межкристаллических трещин.

Ф. Чера и Л. Муча (1961) экспериментальными фи­зико-химическими исследованиями доказали возможность осаждения кальцита из воздуха пещер, что и вызывает образование геликтитов. Воздух с относительной влажностью 90-95%, перенасыщенный мельчайшими капель­ками воды с бикарбонатом кальция, оказывается аэро­золем. Выпадающие на уступы стен и кальцитовых об­разований капельки воды быстро испаряются, а карбонат кальция выпадает в виде осадка. Наибольшая скорость роста кристалла кальцита идет вдоль главной оси, обус­ловливая формирование игольчатых геликтитов. Следова­тельно, в условиях, когда дисперсионной средой является вещество, находящееся в газообразном состоянии, гелик­титы могут расти за счет диффузии растворенного ве­щества из окружающего их аэрозоля. Созданные таким путем («аэрозольный эффект») геликтиты получили на­звание «пещерного инея».

Наряду с кольматажем питательного канала отдель­ных тонкотрубчатых сталактитов и «аэрозольного эффек­та» на формирование геликтитов, по мнению некоторых исследователей, влияют также гидростатическое давление карстовых вод (Л. Якуч), особенности циркуляции воз­духа (А. Вихман) и микроорганизмы. Эти положения, од­нако, недостаточно аргументированы и, как показали ис­следования последних лет, в значительной мере дискус­сионны. Таким образом, морфологические и кристалло­графические особенности эксцентричных натечных форм могут объясняться либо капиллярностью, либо влиянием аэрозоля, а также комбинацией этих двух факторов.

Наибольший интерес представляют вопросы о строении сталактитов, особенностях их формирования и скорости роста. Этими вопросами занимались А. Н. Чураков (1911), Н. М. Шерстюков (4940), Г. А. Максимович (1963) и З. К. Тинтилозов (1968).

Сталактиты состоят в основном из кальцита, на долю которого приходится 92-100%. Кристаллы кальцита име­ют таблитчатую, призматическую и другие формы. В про­дольном и поперечном разрезах сталактита под микроско­пом прослеживаются веретенообразные зерна кальцита длиной до 3-4 мм. Они расположены перпендикулярно к зонам нарастания сталактита. Промежутки между ве­ретенообразными зернами заполнены мелкозернистым (до 0,03 мм в диаметре) кальцитом. При сильном увеличе­нии отдельные зерна мелкозернистого кальцита обнару­живают тонкокристаллическое зернистое строение (рис.5). Иногда в них встречается значительное количество аморф­ного и глинисто-известковистого материала. Загрязнение сталактита глинистым пелитовым материалом, прослежи­вающимся в виде тонких параллельных прослоек, опре­деляет его полосчатое сложение. Полосчатость идет вкрест простирания кристаллов. Она связана с изменением со­держания примесей в поступающем растворе во время роста сталактита.

Скорость роста сталактитов определяется быстротой притока (частотой скапывания) и степенью насыщен­ности раствора, характером испарения и особенно пар­циальным давлением углекислого газа. Частота падения капель со сталактитов изменяется от нескольких секунд до многих часов. Иногда падения капель, висящих на концах сталактита, вообще не наблюдается. В этом слу­чае, по-видимому, вода удаляется только за счет испа­рения, что обусловливает крайне медленный рост сталак­титов. Специальные исследования, проведенные венгер­скими спелеологами, показали, что жесткость воды капель, свисающих со сталактита, больше, чем падающих, на 0,036-0,108 мг-экв. Следовательно, рост сталактита сопровождается уменьшением в воде содержания кальция и выделением углекислоты. Этими исследованиями установ­лено также значительное изменение жесткости сталак­титовых вод в течение года (до 3,6 мг-экв), причем наи­меньшая жесткость отмечается зимой, когда содержание углекислоты в воде в связи с ослаблением жизнедея­тельности микроорганизмов понижается. Естественно, это влияет на темпы роста и форму сталактитов в разные сезоны года.

Особый интерес вызывают непосредственные наблюде­ния (пока немногочисленные) за скоростью роста сталак­титов. Благодаря им удалось установить, что интенсив­ность роста кальцитовых сталактитов в разных подземных полостях и в различных природных условиях, по данным Г. А. Максимовича (1965), изменяется от 0,03 до 35 мм в год. Особенно быстро растут галитовые сталактиты. В условиях притока сильно минерализованных хлоридно-натриевых вод скорость роста сталактитов на Шорсуй­ском руднике (Средняя Азия, Алайский хребет), согласно исследованиям Н. П. Юшкина (1972), изменяется от 0,001 до 0,4 мм в сутки: достигая в отдельных случаях 3,66 мм в сутки, или 1,336 м в год.

Сталагмиты составляют вторую большую группу на­течных образований. Они формируются на полу карсто­вых пещер и обычно растут навстречу сталактитам. Па­дающие с потолка капли выдалбливают в отложениях пола пещер небольшую (до 0,15 м) ямку конической формы. Эта ямка постепенно заполняется кальцитом, образующим своеобразный корень, и начинается рост сталагмита вверх.

Сталагмиты обычно имеют небольшие размеры. Лишь в отдельных случаях они достигают высоты 6-8 м при диаметре нижней части 1-2 м. На участках, где они со­единяются со сталактитами, возникают кальцитовые ко­лонны, или сталагнаты, самой разнообразной формы. Осо­бенно красивы узорчатые или витые колонны.

В зависимости от формы сталагмиты имеют множе­ство названий. Выделяются конические сталагмиты, пагодаобразные, пальмовые, сталагмиты-палки, кораллиты (сталагмиты древовидной формы, имеющие вид коралло­вых кустов) и др. Форма сталагмитов определяется ус­ловиями их образования и прежде всего степенью обвод­ненности пещеры.

Весьма оригинальны сталагмиты, имеющие вид камен­ных лилий в гроте Иверия Анакопийской пещеры. Вы­сота их достигает 0,3 м. Верхние края таких сталагмитов раскрыты, что связано с разбрызгиванием водяных капель, падающих с большой высоты, и аккумуляцией карбона­та кальция по стенкам образовавшейся ямки. Интересны сталагмиты с оторочками, напоминающие подсвечники (грот Тбилиси Анакопийской пещеры). Оторочки обра­зуются вокруг периодически затопляемых сталагмитов (Тинтилозов, 1968).

Встречаются эксцентричные сталагмиты. Искривление их нередко вызывается медленным движением осыпи, на которой они формируются. Основание сталагмита в этом случае постепенно перемещается вниз, а падающие на одно и то же место капли искривляют сталагмит в на­правлении вершины осыпи. Такие сталагмиты наблюдают­ся, например, в Анакопийской пещере.

Для сталагмитов характерно слоистое строение (рис.6). В поперечном разрезе чередуются концентрически распо­ложенные белые и темные слои, толщина которых изме­няется от 0,02 до 0,07 мм. Толщина слоя по окружности неодинакова, так как падающая на сталагмит вода рас­текается по его поверхности неравномерно.

Исследования Ф. Витасека (1951) показали, что на­растающие сталагмитовые слои представляют собой по­лугодичный продукт, причем белые слои отвечают зим­нему периоду, а темные - летнему, поскольку теплые лет­ние воды отличаются повышенным содержанием по срав­нению с водами зимнего периода гидроокисей металлов и органических соединений. Белые слои характеризуются кристаллической структурой и перпендикулярным распо­ложением зерен кальцита к поверхности слоев. Темные же слои аморфны, их кристаллизации препятствует на­личие коллоидного гидрата окиси железа.

При сильном увеличении в темных слоях выявлено чередование многих белых и темных очень тонких сло­ев, что указывает на многократное изменение в течение года условий просачивания инфильтрационных вод.

Строгое чередование в поперечном разрезе белых и темных слоев используется для определения абсолютного возраста сталагмитов, а также подземных полостей, в ко­торых они формируются. Подсчеты дают интересные ре­зультаты. Так, возраст сталагмита из Кизеловской пеще­ры (Средний Урал), достигающего в поперечнике 68 см, был определен в 2500 лет (Максимович, 1963). Возраст сталагмитов некоторых зарубежных пещер, определенный по полугодовым кольцам, составил 600 тыс. лет. (По ис­следованиям Ф. Витасека, в Деменовских пещерах в Чехо­словакии сталагмит в 1 мм образуется за 10 лет, а в 10 мм - за 500 лет.) Этот интересный метод, получаю­щий все более широкое распространение, однако еще да­леко не совершенен и нуждается в уточнении.

В продольном разрезе сталагмит состоит как бы из множества тонких колпачков, надетых друг на друга. В центральной части сталагмита горизонтальные кальци­товые слои резко падают вниз, по направлению к его кра­ям (см. рис. 6).

Скорость роста сталагмитов весьма различна. Она за­висит от влажности воздуха в пещере, особенностей его циркуляции, величины притока раствора, степени его кон­центрации и температурного режима. Как показали наб­людения, скорость роста сталагмитов изменяется от де­сятых долей до нескольких миллиметров в год. Особый интерес в этом отношении представляют работы че­хословацких исследователей, применивших для определе­ния возраста карстовых образований радиоуглеродный ме­тод. Установлено, что скорость роста сталагмитов в пеще­рах Чехословакии составляет 0,5-4,5 см за 100 лет (Г. Франке). В длительной и сложной истории формиро­вания натечных образований эпохи аккумуляции материа­ла могут чередоваться с периодами его растворения.

Для кальцитовых натечных образований характерно явление люминесценции, что связано с присутствием в них активирующих примесей. Облученные импульсной лампой натечные образования светятся желтым, нежно-зе­леным, лазорево-голубым и синим светом. Иногда они излучают ослепительно белый ровный свет, который как будто струится из этих сказочно красивых форм. Наибо­лее яркое свечение имеют натеки с примесью марганца.

К коломорфным образованиям относятся кальцитовые плотины (гуры), кальцитовая кора, кальцитовые пленки, пещерный жемчуг (оолиты) и каменное молоко. Гуры и пещерные оолиты, сложенные преимущественно туфом, по структуре, пористости и объемному весу несколько отличаются от других натечных образований, что позволяет выделить их в особую группу. Впрочем, это деление в зна­чительной мере условно.

Кальцитовые плотины, или гуры, подпруживающие подземные озера, довольно широко распространены. В Со­ветском Союзе они отмечены в 54 пещерах. Гуры встре­чаются преимущественно в известняковых и значительно реже в доломитовых полостях. Они образуются в гори­зонтальных и наклонных проходах в результате выпаде­ния из раствора карбоната кальция, что связано с выде­лением углекислоты вследствие изменения температуры водного потока при его движении по подземной галерее. Очертания плотин, имеющих обычно вид правильной или изогнутой дуги, определяются главным образом первона­чальной формой выступов пола пещеры. Высота барражей изменяется от 0,05 до 7 м, а длина достигает 15 м. По морфологическим признакам гуры подразделяются на пло­щадные и линейные. Последние развиты в основном в узких проходах с подземными ручьями, которые они разделяют на отдельные водоемы площадью до 1000 м 2 и более.

Водный поток не только создает кальцитовые плоти­ны, но и разрушает их. При изменении расхода потока и минерализации подземных вод под действием эрозии и коррозии в гурах образуются отверстия, проломы и про­пилы. Это приводит к формированию сухих гуров, не спо­собных удерживать воду. В результате дальнейшего рас­творения и размыва на месте кальцитовых плотин оста­ются лишь сильно корродированные выступы, отмечае­мые на полу и стенах полости. По толщине сезонного полуслойка (0,1 мм) В. Н. Дублянским был определен возраст гуров в Красной пещере. Он оказался равным примерно 9-10 тыс. лет.

Кальцитовые плотины особенно интересны в пещерах Красной, Шакуранской и Кутукской IV. В дальней ча­сти Красной пещеры на протяжении 340 м отмечено 36 кальцитовых каскадов высотой от 2 до 7 м и длиной до 13 м. Ширина их достигает иногда 6 м. В галерее Боль­ших гуров, расположенной в верхнем этаже пещеры Ку­тукская IV и имеющей длину 102 м, русло подземного ручья перегорожено 34 плотинами из молочно-белого кальцита. Высота их достигает 2 м, а длина - 15 м. Здесь найдены так называемые запечатанные гуры (кальцито­вые камеры). Подпруживаемые ими водоемы полностью покрыты кальцитовой пленкой. Один из проходов Шаку­ранской пещеры (Кавказ), длина которого достигает 400 м, разделен кальцитовыми плотинами на 18 озер глубиной от 0,5 до 2 м.

Кальцитовая кора обычно образуется у основания стен, по которым стекает просочившаяся в пещеру вода. По­верхность ее, как правило, неровная, бугристая, иногда напоминает волновую рябь. Мощность кальцитовой коры в отдельных случаях превышает 0,5 м.

На поверхности подземных озер, имеющих высокоми­нерализованную воду, иногда отмечаются кальцитовые пленки белого цвета. Они образуются из кристалликов кальцита, которые свободно плавают на поверхности воды. Спаиваясь друг с другом, эти кристаллики форми­руют сначала тоненькую пленку, плавающую на поверх­ности воды в виде отдельных пятен, а затем сплошную пленку кальцита, покрывающую все озеро, подобно ле­дяному покрову. На озерах, подпруженных гурами, образование пленки начинается от берегов. Постепенно раз­растаясь, пленка занимает всю водную поверхность. Тол­щина пленок небольшая. Она изменяется от нескольких десятых долей миллиметра до 0,5 см и более. Если уро­вень озера понижается, то между поверхностью воды и пленкой может образоваться пространство. Кальцитовые пленки имеют преимущественно сезонный характер. Они возникают в сухие периоды, когда в озерной воде наблю­дается высокая концентрация кальциевого и гидрокарбо­натного ионов. При поступлении в пещеру обильных дож­девых и талых снеговых вод кальцитовые пленки на по­верхности подземных озер разрушаются.

По данным Л. С. Кузнецовой и П. Н. Чирвинского (1951), кальцитовая пленка представляет собой мозаику зернышек размером 0,05-0,1 мм в поперечнике. Ориен­тировка зернышек беспорядочная. По характеру окраски они делятся на две группы. Одни, буроватые и мутные, слабо просвечиваются, а другие, бесцветные, более проз­рачные, кажутся волокнистыми. Что касается минерало­гического состава, то обе группы зернышек представле­ны чистым карбонатом кальция. Верхняя поверхность ко­рочки под микроскопом бугристая, а нижняя - совер­шенно гладкая.

Наряду с кальцитовыми пленками на поверхности озер встречаются также гипсовые. Они словно прозрачный ле­док покрывают не только водную гладь озера, но и гли­нистые его берега. Такую пленку можно видеть, в част­ности, на поверхности озер Кунгурской ледяной пещеры.

Во многих пещерах, развитых в карбонатных породах, встречаются небольшие кальцитовые шарики, которые на­зываются оолитами, или пещерным жемчугом. Жемчу­жины имеют овальную, эллиптическую, сферическую, по­лиэдрическую или неправильную формы. Длина их обыч­но изменяется от 5 до 14 мм, а ширина - от 5 до 11 мм. Самый крупный оолит в Советском Союзе был найден в Мааникварской шахте, входящей в систему Анакопий­ской пещеры. Длина его 59 мм. По форме и размерам он напоминал куриное яйцо. Преобладают приплюснутые жемчужины. Иногда они сцементированы по нескольку штук (10-20) и образуют оолитовый конгломерат. Цвет оолитов белый или желтоватый. Поверхность их матовая, гладкая или шероховатая.

Пещерный жемчуг сложен в основном (до 93%) каль­цитом. В разрезе он имеет концентрическое строение, при­чем чередуются светлые и темные слои. Толщина сло­ев может быть различной. В центральной части жемчужи­ны отмечаются зерна кварца, кальцита или комочки гли­ны, вокруг которых и нарастают оболочки коллоидного карбоната кальция. Интересно, что кристаллические обо­лочки оолитов отделены друг от друга тонкими просло­ями пелитоморфного известняка.

Пещерный жемчуг образуется в неглубоких подзем­ных озерках, которые питаются капающими с потолка каплями воды, насыщенными карбонатом кальция. Важ­ным условием формирования оолитов является их не­прерывное вращение. По мере роста агрегатов враще­ние их замедляется, а затем вообще прекращается, так как они полностью заполняют ванночку, в которой обра­зуются.

Рост оолитов зависит от многих факторов. При бла­гоприятных условиях они формируются очень быстро (в Постоинской пещере в Югославии примерно за 50 лет). В пещере Хралупа (Болгария) были найдены оолиты по­перечником 5-6 мм, которые состояли всего лишь из 3-4 концентрических слоев. Следовательно, их возраст может быть определен в 3-4 года. Однако к возможно­сти использования кальцитовой слоистости для определе­ния возраста хемогенных образований следует относиться с большой осторожностью, поскольку «…периодичность от­ложения карбоната кальция не совпадает с временами года, а определяется только изменениями количества по­ступающей воды, температурой ее и окружающего воз­духа».

Пещерный жемчуг, найденный в Советском Союзе в пещерах Дивьей, Кизеловской, Красной, Анакопийской, Шакуранской, Вахушти, Макрушинской и в некоторых других, по химическому составу не отличается от био­генного жемчуга морских моллюсков, поскольку тот и другой сложены углекислым кальцием. Между тем настоящий жемчуг отличаетсяот пещерного ярко выраженным перламутровым блеском, характерным для арагонита, ко­торым представлен биогенный жемчуг. Арагонит, од­нако, является неустойчивой модификацией карбоната кальция и самопроизвольно переходит в кальцит. Правда, при обычной температуре это превращение идет довольно медленно.

Среди известковых образований особенно интересно лунное, или каменное, молоко, представляющее собой ти­пичный коллоид. Оно покрывает своды и стены пещер на участках, где вода выступает из узких трещин и в условиях слабого испарения сильно разжижает породу, которая по внешнему виду напоминает известковое тес­то, сметанообразную массу или каменное молоко белого цвета. Это очень редкое и пока еще не разгаданное яв­ление природы отмечено в Красной (Крым), Кизеловской (Урал), Анакопийской (Кавказ) и некоторых других пе­щерах Советского Союза.

На стенах и потолке некоторых пещер встречаются кристаллы различных автохтонных минералов: кальцита, арагонита, гипса и галита. Среди кристаллитовых обра­зований особенно интересны кальцитовые, арагонитовые и гипсовые цветы (антодиты) в виде пучков и розеток кристаллов, достигающих иногда нескольких сантиметров длины. В настоящее время они встречаются исключитель­но в сухих участках пещер. Их происхождение связано, очевидно, с одной стороны, с кристаллизацией карбоната конденсационных капель, а с другой - с коррозией кар­стующихся пород конденсационными водами. Как показа­ли исследования, это преимущественно древние образо­вания. Они сформировались в иных, отличных от настоя­щих, гидрологических и микроклиматических условиях. Встречаются также и современные формы.

Наряду с антодитами интересны щетки кристаллов кальцита, арагонита, гипса и галита, покрывающие зна­чительные участки стен и потолка пещер. Такие кристалловые галереи отмечены во многих подземных поло­стях СССР (Крывченская, Красная, Дивья и др.).

Основные закономерности формирования хемогенных отложений и особенности кристаллизационной аккумуля­ции пещер на примере Анакопийской пропасти изуча­лись В. И. Степановым (1971). По его мнению, общий ход кристаллизации каждого отдельного участка этой пе­щеры идет по схеме: туфовая сталактит-сталагмитовая кора - кальцитовая сталактит-сталагмитовая кора - ко­раллиты - гипс.

Наиболее детальная схема спелеолитогенеза разрабо­тана Г. А. Максимовичем (1965). Он показал, что харак­тер и морфология хемогенных образований зависят от ве­личины притока воды и парциального давления углеки­слого газа, которые значительно изменяются на разных стадиях развития пещеры. При больших притоках воды (1-0,1 л/сек) выпадающий из раствора карбонат каль­ция образует на полу пещеры покровы и гуры (рис. 7). Последние нередко располагаются каскадами. Когда при­ток воды из трещин и отверстий в потолке пещеры умень­шается, то создаются условия для формирования массив­ных (0,01-0,001 л/сек), пагодаобразных (0,001-0,005 л/сек) и пальмовых (0,005-0,0001 л/сек) сталагмитов. При дальнейшем уменьшении притока воды, насыщенной карбонатом кальция, возникают сначала конические ста­лактиты (10 -4 -10 -5 л/сек), а затем - сталагмиты-пал­ки (10 -5 -10 -6 л/сек). Особый интерес представляет класс притоков с дебитом 10 -4 -10 -5 л/сек (или 0,1- -0,01 см 3 /сек), определяющих переход от нижней лито-аккумуляции к верхней, а также их совместное развитие. При ничтожно малых притоках воды образуются трубча­тые сталактиты (10 -3 -10 -5 см 3 /сек), сложные сталактиты с широким основанием (10 -5 -10 -6 см 3 /сек) и эксцентри­ческие сталактиты (10 -6 -10 -7 см 3 /сек). В формирова­нии эксцентрических сталактитов принимают участие также конденсационные воды. На этом этапе спелеолито­генеза силы кристаллизации доминируют над силой тяже­сти, которая играла главную роль при более значитель­ных притоках. Заключительным звеном генетического ряда хемогенных образований являются кристаллитовые формы, связанные с выпадением кальцита из конденса­ционных вод, которые на этой стадии представляют един­ственный источник поступления влаги.

Предложенная Г. А. Максимовичем (1965) схема об­разования спелеоформ имеет важное теоретическое и ме­тодическое значение. Она позволяет наметить стройный генетический ряд карбонатного литогенеза пещер, осно­ванный на учете количественных показателей стока под­земных вод и парциального давления углекислого газа, изменение которого во времени связано со стадиально­стью развития карстовых полостей. В этой схеме, к со­жалению, не определено положение многих широко рас­пространенных натечных форм (колонны, занавеси, дра­пировки и др.), что обусловлено, с одной стороны, огра­ниченностью материала экспериментальных наблюдений, а с другой - общей слабой разработанностью рассматри­ваемой проблемы.

Хемогенные или водно-хемогенные образования, делаю­щие многие пещеры необыкновенно красивыми, явля­ются лишь одним из типов пещерных отложений. Кроме них в пещерах (по классификации Д. С. Соколова и Г. А. Максимовича) встречаются также различные другие отложения, которые по происхождению подразделяются на остаточные, водно-механические, обвальные, гляциоген­ные, органогенные, гидротермальные и антропогенные.

Остаточные отложения образуются в результате выще­лачивания карстующихся пород и аккумуляции на дне пещер нерастворимого остатка, представленного в основ­ном глинистыми частицами. Пещерные глины лучше все­го изучены в сухих галереях Анаколийской пещеры, где они достигают мощности 0,45 м. Верхняя часть толщи остаточных глин состоит преимущественно из тонкоди­сперсных частиц, а нижняя - из неравномернозернистых. В составе этих глин преобладают (более 63%) частицы размером от 0,1 до 0,01 мм(табл. 1).

Водно-механические отложения представлены аллюви­ем подземных рек, осадками пещерных озер и аллохтон­ным материалом, принесенным в пещеры через трещины, органные трубы и колодцы. Они сложены песчано-глини­стым материалом. Мощность этих отложений обычно не­велика. Лишь под органными трубами они образуют гли­нистые осыпи, иногда имеющие вид островерхих кону­сов высотой до 3 м и более.

Особенно интересны пластичные глины Анакопийской пещеры, занимающие площадь более 10 тыс. м 2 . Они по­крывают пол Глинистого грота и большую часть гротов Абхазии и Грузинских Спелеологов. Предположительно мощность этих глин достигает 30 м. Пластичные глины образованы преимущественно мельчайшими частицами диаметром меньше 0,01 мм, на которые приходится свыше 53%. Они имеют алеврито-пелитовую структуру и обыч­но окрашены водными окислами железа. Эти глины об­разовались в результате осаждения мелких частиц на дне временных водоемов, образовавшихся в южной части пе­щеры, вследствие проникновения сюда атмосферных осад­ков, отличающихся значительной мутностью. Периодич­ность и длительность накопления пластичных глин под­тверждаются наличием в них различных горизонтов.

Обвальные отложения состоят обычно из крупных ха­отически нагроможденных глыб горных пород, обрушив­шихся со сводов и стен подземных полостей. Интересные подсчеты в этом отношении проведены в Анакопийской пещере. Они показали, что объем обрушенного материала в гротах Храм, Абхазия и Грузинских Спелеологов со­ставляет примерно 450 тыс. м 3 (т. е. более 1 млн. т по­роды), причем объем отдельных глыб достигает 8-12 м 3 . Мощные глыбовые навалы отмечены также во многих других пещерах (рис. 8).

Среди глыбово-обвальных отложений нередко встреча­ются обломки кальцитовых натечных образований (ста­лактиты, сталагмиты), связанные с обрушением сводов.

Чаще всего наблюдаются старые обвальные отложе­ния, покрытые глиной и кальцитовыми натеками. Одна­ко в некоторых пещерах можно встретить и совершенно свежие обвалы. Такие участки исследовались нами, в ча­стности, в Дивьей (Урал) и Кулогорской (Кулойское пла­то) пещерах.

Гляциогенные отложения. Во многих пещерах Совет­ского Союза, где в течение всего года преобладают отри­цательные температуры, отмечаются ледяные образования. К наиболее известным ледяным пещерам относятся Кунгурская, Кулогорская, Балаганская и Абогыдже.

Пещерные льды карстовых полостей - ледников, широ­ко распространенных в Крыму, на Кавказе, Русской рав­нине, Урале и Средней Сибири, подразделяются на сле­дующие основные типы: сублимационный, инфильтраци­онный, конжеляционный и гетерогенный.

Среди сублимационных образований наибольший ин­терес представляют ледяные кристаллы, формирующиеся в результате взаимодействия относительно теплого воз­духа с охлажденными предметами. Они имеют самую раз­нообразную форму, которая определяется режимом тем­пературы, влажностью, направлением и скоростью воздушных потоков (Дорофеев, 1969). Выделяют кристаллы ли­стовидной формы (образуются при температуре -0,5-2°), пирамидальной (-2-5°), прямоугольно-пластинчатой (-5-7°), игольчатой (-10-15°) и папоротниковидной (-18-20°). Наиболее красивы пирамидальные кристаллы, представленные обычно сростками спиральных пирамид до 15 см в поперечнике. Изредка на сводах пещер появляют­ся относительно правильные замкнутые шестигранные пи­рамиды, обращенные вершиной к потолку. Красивы также папоротниковидные кристаллы, образующиеся в сильные морозы и имеющие вид тонких (0,025 мм) пластинок до 5 см длиной, свисающих густой бахромой с потолка пе­щер. Эти кристаллы эфемерны; при незначительном по­вышении температуры они разрушаются. Срастаясь, кри­сталлы нередко образуют искрящиеся гирлянды, ажурные кружева и прозрачные занавеси. Ледяные кристаллы про­зрачны и очень хрупки. При прикосновении они рассы­паются на мелкие кусочки, которые медленно падают на пол пещеры.

Ледяные кристаллы обычно появляются весной и су­ществуют несколько месяцев. Лишь в некоторых пещерах, особенно расположенных в области вечной мерзлоты, встречаются многолетние кристаллы. Химический состав ледяных кристаллов зависит от состава горных пород. По данным Е. П. Дорофеева (1969), минерализация однолетних сублимационных ледяных кристаллов Кун­гурской пещеры составляет 56-90 мг/л, а многолетних - 170 мг/л.

К цнфилътрационным формам относятся ледяные ста­лактиты, сталагмиты и сталагнаты, имеющие гидрогенное происхождение. Они образуются в результате перехода воды в твердую фазу. Эти формы достигают 10 м высо­ты и 3 м в диаметре. Возраст их изменяется от 2-3 ме­сяцев до нескольких лет. В Кунгурской пещере, напри­мер, имеется ледяной сталагмит, возраст которого превы­шает 100 лет. Однолетние формы прозрачны, а много­летние благодаря примесям имеют молочно-белый цвет с голубоватым или зеленоватым оттенком.

Однолетние и многолетние ледяные образования от­личаются друг от друга и по структуре. Как показали исследования М. П. Головкова (1939), однолетние сталак­титы в Кунгурской пещере представляют собой оптиче­ски одноосный монокристалл, тогда как многолетние сталактиты состоят из многих, послойно расположенных, удлиненных, частично ограненных кристаллов, ориенти­рованных оптическими осями параллельно длине сталак­тита.

По химическому составу лед сталактитов, сталагми­тов и сталагнатов может быть пресным с количеством растворимых веществ до 0,1% (1 г/л) или солоноватым, в котором растворимых веществ содержится от 0,1 до 1%. Пресные льды встречаются обычно в карбонатных пеще­рах, а солоноватые - в сульфатных.

На стенах и сводах в холодной части некоторых пе­щер отмечается кора обледенения, которая образуется, с одной стороны, за счет застывания стекающей по трещи­нам воды, а с другой - за счет сублимации водяных паров. Толщина ее изменяется обычно от долей милли­метра до 10-15 см. Лед прозрачный, иногда молочно-бе­лый, пресный (растворимых веществ менее 1 г/л) или солоноватый. Возраст коры обледенения может быть са­мый различный, в отдельных случаях многолетний.

На полу гротов и проходов ледяных пещер нередко развит покровный лед. Он имеет гидрогенное или гете­рогенное происхождение. Мощность покровного льда из­меняется от нескольких сантиметров до нескольких мет­ров. Преобладает многолетний, часто слоистый лед. На участках аккумуляции снега встречается фирн. Химиче­ский состав покровного льда зависит от состава карстующихся пород. Различают пресный и солоноватый лед. Последний в гипсовых пещерах характеризуется сульфат­но-кальциевым составом. Минерализация пещерных льдов достигает 0,21%. Особый интерес представляют ледяные кристаллы, образующиеся на полу пещер при застывании инфильтрационных вод. Они имеют вид сросшихся игл с наросшими снизу пластинками.

Конжеляционный лед представлен льдом подземных озер и рек. Озерный лед образуется на поверхности под­земных озер в холодное время или в течение всего го­да. Площадь озерного льда зависит от размеров озера. В отдельных случаях она достигает 500 м 2 , а тол­щина льда - 0,15 м (озеро Географического Общества в пещере Абогыдже, на реке Маи). Лед на подземных по­токах имеет преимущественно локальное распространение. Площадь речного льда и мощность его обычно невели­ки. Происхождение озерного и речного льда гидрогенное. При замерзании подземных водоемов иногда образуются кристаллы в виде шестиконечных звезд толщиной 1 мм и поперечником до 10 см.

Пещерные льды содержат различные микроэлементы. Спектральный анализ пещерного льда, взятого из коры обледенения в Бриллиантовом гроте Кунгурской пещеры, показал, что среди микроэлементов преобладает строн­ций, на долю которого приходится более 0,1%. Содер­жание марганца, титана, меди, алюминия и железа не превышает 0,001%.

По условиям возникновения пещерного холода, накоп­ления снега и льда Н. А. Гвоздецкий (1972) выделяет семь типов карстовых ледяных пещер Советского Союза: а) карстовые колодцы и пропасти со снегом и льдом, лед в которых образуется из попадающего в холодное время года через устьевое отверстие снега; б) холодные пещеры мешкообразной формы, лед в них может возник­нуть путем замерзания воды, поступающей из трещин; в) сквозные, или продувные, холодные пещеры с меняю­щимся в теплое и холодное полугодия направлением тя­ги воздуха, с гидрогенным льдом и атмогенными, или сублимационными, ледяными кристаллами; г) сквозные горизонтальные пещеры-ледники с окном в потолке, через которое попадает снег, превращающийся в лед; д) сквозные, или продувные, пещеры - области вечной мерзлоты, где пещерный лед представляет собой ее особую форму; е) колодцеобразные полости - области вечной мерз­лоты; ж) мешкообразные полости - области вечной мерз­лоты.

Органогенные отложения - гуано и костяная брекчия встречаются во многих пещерах Советского Союза. Од­нако фосфоритовые залежи этих пещер отличаются зна­чительной мощностью и занимают сравнительно неболь­шие площади. Крупные скопления гуано отмечены в Ба­харденской пещере, где они занимают площадь 1320 м 2 . Мощность этих отложений достигает 1,5 м, а общий за­пас - 733 т. В результате взаимодействия фосфатов за­лежей гуано с карбонатными породами и кальцитовыми натечными образованиями формируются метасоматиче­ские фосфориты.

Гидротермальные отложения в карстовых пещерах встречаются сравнительно редко. Наибольший интерес в этом отношении представляют пещеры в верховьях реки Магиан (Зеравшанский хребет), развитые в верхнеси­лурийских известняках. Они содержат исландский шпат, флюорит, кварц, антимонит, киноварь и барит. Происхож­дение этих пещер связывается с действием гидротермаль­ных растворов, циркулировавших по тектоническим тре­щинам. Образование и накопление минеральных отло­жений в этих пещерах произошло на более поздних ста­диях их развития.

Антропогенные отложения в пещерах представлены главным образом остатками древних материальных куль­тур, находимых преимущественно в ближних частях пе­щер. В последнее время в связи с частым посещением пещер туристами и спелеологами в них накапливаются различные отложения антропогенного происхождения (остатки пищи, бумага, использованные электрические ба­тарейки и т. д.).

Подземных водотоков; 6) кольматационные отл.- мелкоземистый материал, принесенный временными поверхностными и подземными водами и заполняющий подземные полости; в) завальные , возникающие при обрушении сводов пещер; г) натечные образования (сталактиты, сталагмиты и пр.); д) органогенные образования (скопление костей животных, и др.). О. п. имеют незначительную мощи., неправильную прерывисто линзовидную форму, неслоистое или грубослоистое строение. С О. п. связаны некоторые м-ния Fe и Mn руд, бокситов и др. В пещерах часто встречаются костные остатки человека каменного века и предметы его материальной культуры, изучение которых оказывает существенную помощь для стратиграфического расчленения четвертичных отл.

Геологический словарь: в 2-х томах. - М.: Недра . Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. . 1978 .

Смотреть что такое "ОТЛОЖЕНИЯ ПЕЩЕРНЫЕ" в других словарях:

пещерные отложения - Отложения, выполняющие карстовые пустоты Тематики нефтегазовая промышленность EN cave deposits … Справочник технического переводчика

Скопления обломков и целых костей млекопитающих, встречающиеся в пещерах, обычно сцементированы железистым, песчано глинистым или глинистым цементом. См. Отложения пещерные. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н.… … Геологическая энциклопедия

Естественные сочетания генетических типов континентальных отл. Наиболее своеобразный из них объединяет элювиальные образования, слагающие кору выветривания. Относящиеся сюда элювий и почвы по особенностям происхождения лишь условно относятся к… … Геологическая энциклопедия

Пещерные гроты Юньган комплекс из 252 рукотворных пещер в 16 км к юго востоку от китайского города Датун, провинция Шаньси. Содержит до 51.000 изображений Будды, некоторые из которых достигают 17 метров в высоту. Юньган представляет собой… … Википедия

Содержание 1 Пещеры по происхождению 1.1 Карстовые пещеры … Википедия

История Грузии … Википедия

Предмет исследования. Предметом исследования в археологии Нового Света являются история и культура коренных народов Америки американских индейцев. Гомогенные с точки зрения расовой принадлежности, индейцы Америки представляют крупную ветвь… … Энциклопедия Кольера

В списке объектов Всемирного наследия ЮНЕСКО в Китайской Народной Республике значится 41 наименование (на 2011 год), это составляет 4,3 % от общего числа (962 на 2012 год). 29 объектов включены в список по культурным критериям, 8… … Википедия

Геологическое время представленное на диаграмме называют геологическими часами, показывающими относительную длину … Википедия

- (англ. Chemeia химия; англ. Genes рождение) осадочные горные породы, образующиеся на дне водоемов при химическом осаждении из растворов или при испарении воды. Важную роль в их образовании играет испарение, поэтому второе их название… … Википедия