24 апреля 2007 г.

Пещеры-шары, сферы. Гидротермальные полости

Пещеры Джюэл и Винд-Кейв, открытые в конце прошлого столетия, - порождение термальных вод!

Но, может быть, эти воды образуют не только лабиринты? Анализ имеющихся материалов, выполненный в 60-е гг. профессором Г. А. Максимовичем, а в 80-е гг. - В. Н. Дублянским, показал, что это действительно так...

В начале XX в. А. А. Крубер описал пещеру Карани в Крыму (Карабийский массив). Она располагается под водоразделом между двумя карстовыми воронками и имеет сферическую форму, напоминая перевернутую чашу диаметром 60 на 70 м. Образование пещеры Крубер объяснил "сильным гидростатическим давлением".

В 1959 г. в шахте Ход Конем (Крым, Чатырдаг) на глубине около 100 м были обнаружены хорошо ограненные кристаллы исландского шпата, торчащие из глины, заполняющей округлую нишу в стене.

В 60-е гг. при обследовании только что открытой Ново-Афонской пещеры (Грузия) объемом около 2 млн. м3 (это больше, чем суммарный объем всех 870 пещер Крыма!), мы обратили внимание на полуразложившиеся кремневые конкреции, в которые палец уходит как в масло. Это было совершенно непонятно: ведь кремень растворяется значительно хуже, чем кальцит!

Годичный цикл наблюдений над расходами, температурой и химическим составом источников ниже пещеры показал в них существенную примесь термальных (40-50 °С) вод. Анализ палеогеографической ситуации привел к выводу, что огромные объемы пещеры могут быть объяснены коррозией смешивания теплых и холодных вод.

В 70-е гг. мы провели обследование знаменитой Бахарденской пещеры (Туркменистан), расположенной на "термальной линии" Копетдага. Это один крупный зал, вскрытый провалами свода, на дне которого располагается озеро с минеральной водой, нагретой до 36 °С!

На Маданском месторождении полиметаллов (Родопы) болгарские геологи вскрыли буровыми скважинами самую крупную в мире гидротермальную полость (1315 м свободного спуска буровых колонн, общий вес которых составил 24 тонны). Эта полость заполнена минерализованной водой, нагретой до 135 °С.

В 1963 г. венгерский спелеолог Ласло Якуч описал пещеру Шатеркепуста, представляющую собой систему соединяющихся между собой шаров разного диаметра, напоминающую гроздь винограда. Ряд бесспорных признаков (изменение строения вмещающих известняков, особые формы минералов, покрывающих стены пещеры) свидетельствовал о ее образовании термальными карстовыми водами.

Аналитические выводы подтвердились и прямыми доказательствами. В 50-е гг. на дне термального озера в пещере Этвеш (Венгрия), заложенного в триасовых доломитах, аквалангисты обнаружили наклонный ход, который вывел их в шаровидный зал диаметром 15 м, со дна которого поднимались струи термальных вод. Еще более убедительными были погружения аквалангистов в термальные пещеры Сицилии, которые отличаются большими объемами при температуре заполняющих вод до 40 °С...

Затем совершенно неожиданно проявилась одна из связей спелеологии со смежными науками: на многих месторождениях цинка и свинца, ртути и урана, ванадия и мраморного оникса после отработки рудных тел остаются шарообразные пустоты.

Такие же полости (частично заполненные кальцитом, арагонитом, баритом и рядом других, более редких минералов) часто вскрывают горные выработки. Как правило, спелеологам они остаются неизвестными, а их заполнитель, достойный витрин лучших музеев мира, уничтожается или расходится по личным коллекциям.

Тайна шарообразных пещер


К разгадке тайны шарообразных пещер вел долгий путь. От описаний и косвенных свидетельств нужно было перейти к непосредственному изучению гидротермокарста. Чтобы сделать это, необходимо было многое (заинтересованность, владение методами исследований, новые идеи), и это удалось в 80-е гг. альпинисту и скалолазу, студенту Одесского университета Юрию Дублянскому, прошедшему хорошую семейную геологическую и спелеологическую школу. Основным объектом исследований стал Горный Крым, где к этому времени накопилось довольно много сведений об "аномальных" по форме пещерах, часто расположенных рядом с крупными кальцитовыми жилами. Находки исландского шпата (а это тот же кальцит, но только бесцветный, прозрачный и обладающий способностью двупреломлять свет) были сделаны не только в шахте Ход Конем (в 30 и 60 метрах ниже нашей первой находки), но и в шахтах Эмине-Баир-Хосар (Чатырдаг), Молодежная и Гвоздецкого (Караби), в пещерах района Байдарских ворот (Ай-Петринский массив) и пр. Вдоволь полазив по пещерам и шахтам Крыма, Юрий собрал обширную коллекцию - свыше 600 образцов. Выяснилось, что Карабийский и Чатырдагский массивы разбиты тектоническими нарушениями, вдоль которых образовались протяженные (1-2 км), мощные (10-12 м) и уходящие на глубину не менее 100- 200 м кальцитовые жилы, с которыми часто связаны карстовые полости.

При изучении жильного кальцита в нем были обнаружены пустоты. О том, что кристаллы прозрачных минералов иногда содержат "узников" - пустоты с жидкостью, в которой плавает пузырек газа, знали еще в глубокой древности:

...словно заложница,
В нем капля таится.
Эта вода
Придает особую ценность кристаллу, -


писал почти 2 тысячи лет назад римский поэт Октавий Клавдиан.

На помощь пришли современные методы минералогии. В XX в. люди разгадали ее тайну.

Методика гомогенизации включений в принципе очень проста: надо изготовить шлиф - тонкую прозрачную пластинку минерала, поместить ее под микроскоп, подвести к шлифу термопару и нагревать его до тех пор, пока пузырек газа не растворится в жидкости. Это и будет температура образования кристалла.

Дополнительные исследования (изучение концентрации и состава жидкой фазы, газового состава пузырьков и пр.) дают информацию об условиях образования минерала.

...В разных карстовых полостях Крыма было отобрано около 1000 образцов. Результат их анализа оказался неожиданным: температура образования кальцитовых жил колебалась от 300 (район Судака) до 60 °С (Чатырдаг), а кристаллов исландского шпата из пещер - от 80 до 30 °С (шахта Ход Конем). Необходимо было найти механизмы, объясняющие сочетание двух противоположных процессов - образования в известняках гидротермальных полостей и их заполнения кальцитом... Известные схемы не давали однозначного ответа: поднимающийся по трещинам раствор попадает в условия все более низких давлений и температур, что вызывает активную кристаллизацию минералов, не оставляя места процессам растворения.

Дальше все было как в детской игре "холодно - горячо". Чувствовалось, что избран верный путь, пришлось "поднимать" десятки и сотни работ из смежных областей геологии, пока в одной из них не был найден ответ.

Специалист по геохимии С. Д. Малинин рассчитал зависимость растворимости СаСО3 от глубины при подъеме термальных вод (рис. 31). Для условий, близких к крымским (охлаждение от 225 до 50 °С), кривая имеет перегиб на глубине около 250 м. Это означает, что в 1000-250 м от поверхности (именно такую среднюю мощность имеют верхнеюрские известняки Крыма) происходит увеличение их растворимости с образованием пустот (пещер, закарстованных трещин и пр.), а на глубине 250-0 м - "сброс" карбонатного материала с образованием кальцитовых жил (в трещинах) и кристаллов исландского шпата (в полостях).

Следующим шагом было определение временного интервала для этих процессов. Здесь геолог, как артиллерист, "берет цель в вилку": пещеры заложены в верхнеюрских известняках, следовательно, их возраст не древнее поздней юры; но, судя по находкам костей различных позвоночных, пещеры Крыма не моложе середины неогена... Используя все имеющиеся данные, постепенно "сужаем" вилку и получаем, что гидротермальные системы Крыма действовали в позднем мелу - среднем миоцене, то есть 100-16 млн. лет назад. Затем начались активные поднятия, гидротермальная деятельность прекратилась, горные массивы начали промываться холодными карстовыми водами, возникли шахты типа Хода Конем, которые вскрыли своими колодцами более древние округлые гидротермокарстовые полости, заполненные глиной с кристаллами исландского шпата.

Все стало на свои места. Пещера Карани действительно оказалась гидротермальной, а в ее своде обнаружилась мощная кальцитовая жила, не замеченная предыдущими исследователями. Прав был римский поэт - капля древнего раствора с плавающим в ней пузырьком смеси СО2, СО и СН4 действительно оказалась важным "заложником". Она поведала о процессах, которые происходили в Крыму миллионы лет назад.

Подземные шары


Но как же подземные шары? Во-первых, и в Крыму, у Байдарских ворот, в южном обрыве горы с полузабытым названием Яурн-Чаурн-Бели были обнаружены подобные образования, некогда заполненные исландским шпатом. Во-вторых, закономерности, выявленные в Крыму, подтвердились при изучении рудных месторождений многих районов бывшего СССР. Экспедиции, проведенные Юрием, показали, что температуры образовавших их гидротермальных растворов колебались от 310-160 °С (Квайса, Кавказ) до 80-40 °С (Бирк-Су, Тюя-Муюн, Средняя Азия). Можно долго рассказывать об увлекательных исследованиях пещеры и древнего рудника Кан-и-Гут, где естественные полости соединены между собою искусственными выработками, или о международной экспедиции "Тюя-Муюн - 89", в которой приняли участие лучшие специалисты Австрии, Венгрии, Киргизии, Польши, России, Украины, Чехии. Исследователи повторили маршрут великих русских минералогов и геохимиков В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана. Но это уже другая история. Важно то, что в любом горнорудном карстовом районе неясный механизм образования шаровых структур был проблемой.

Дальше всего в разгадке тайны шаров удалось продвинуться в Венгрии. Оказалось, что возможны два механизма. Первый из них - субаквальный, когда шаровидная полость возникает за счет восходящего потока термальных вод (рис. 30, В), второй - субаэральный, когда с поверхности горячих вод происходит испарение, а конденсат, образующийся на стенах трещины, стекает вниз, постепенно преобразуя ее в сферу (Г). Исследования П. Мюллера (1974), Г. Суньога (1984) и Ю. Дублянского (1987) объяснили и энергетику образования полостей. Конденсация паров термальных вод происходит с выделением тепла, которое должно куда-то отводиться! Теоретическое моделирование показало, что шаровидная полость диаметром 1,5 м при температуре конденсата 60-20 °С может образоваться за 17-85 тыс. лет.

Новейшие исследования выявили гидротермальные полости в Южной Америке (огромные провалы и пещеры на их дне, заложенные в кварцитах свиты рораима, имеющих "почтенный" возраст около 2 млрд. лет), а также в Новой Гвинее. Здесь обнаружен самый большой в мире провал над пещерой, имеющий длину 1100 м, глубину 310 м и объем более 150 млн. м3. В цементирующем материале брекчии на дне провала найден гидротермальный кальцит, очевидно связанный с молодыми проявлениями вулканизма.

В 90-е гг. работы по гидротермокарсту неожиданно нашли практическое применение в Америке. После подписания соглашения о запрещении испытаний ядерного оружия, полигон в штате Невада (США) было предложено использовать для захоронения отходов атомного производства. Требования, предъявляемые к участкам захоронения, очень жесткие. Проведенные же исследования показали на полигоне наличие гидротермальных отложений неясного происхождения. Работы американских (К. Хилл) и русских (Ю. Дублянский) геологов и спелеологов подтвердили - район горы Яка непригоден для захоронения. Так неожиданно загадки гидротермокарстовых пещер способствовали решению одной из сложнейших технологических и экологических проблем современности.

Дублянский В.Н.
Научно-популярная книга