Вода в карстовых пещерах. Проблема конденсации
Карстовые пещеры являются порождением движущейся воды и одновременно - ее вместилищем.
Еще натурфилософы Древней Греции отмечали многообразие форм существования воды: в атмосфере она находится в виде пара; в порах, трещинах и кавернах - в капельно-жидком виде, стекая по их стенкам; в пещерах образует скопления стоячей (лужицы, озера) или движущейся (ручьи, реки) воды; в благоприятных климатических условиях она формирует значительные скопления снега и льда. Законы движения воды в разных состояниях различны и исследуются методами метеорологии, гидрологии и гляциологии. Чтобы правильно оценить особенности подземного ландшафта, спелеологу приходится использовать основные положения как этих, так и многих других научных дисциплин. Попробуем и мы кратко ознакомиться с "тонкостями" поведения воды под землей.
С парообразной влагой связана одна из самых противоречивых проблем современной гидрогеологии - проблема конденсации. Первые упоминания о возможности конденсации влаги в пещерах Средиземноморья принадлежат древнегреческим философам Фалесу Милетскому и Аристотелю (VII-VI вв. до н. э.). В XVII в. их идеи развили Рене Декарт и Цезарь Кюн, а в 1887 г. Отто Фольгер предложил гипотезу о преобладающем значении конденсации в питании подземных вод. В 1890-91 гг. с ее резкой критикой выступил метеоролог Отто Ганн, и лишь глубокие исследования русского гидролога А. Ф. Лебедева (1908-1936 гг.), оставшиеся почти неизвестными за рубежом, возродили эти идеи на новой теоретической основе.
Прежде всего, было установлено, что парообразная влага может передвигаться независимо от потока воздуха. Она перемещается из зон с большей абсолютной влажностью (е, мм рт. ст.) к зонам с меньшей влажностью, а при их равенстве - из зоны с большей температурой воздуха (t, °C) к меньшей. Оценить значения е и t на поверхности и под землей можно легко с помощью психрометра.
Второй важный момент. По микроклиматическим данным, в теплый период времени (апрель-сентябрь) абсолютная влажность воздуха под землей на 1-7 мм рт. ст. ниже, чем на поверхности. Таким образом, возникает устойчивый поток влаги из атмосферы в карстовые пещеры и шахты, где и происходит ее конденсация.
Теоретические выкладки А. Ф. Лебедева хорошо подтверждались наблюдениями в карстовых районах. По историко-археологическим данным, именно конденсационную влагу использовали жители античных и средневековых поселений Южной Европы и Центральной Азии; гидрогеологические данные свидетельствуют о существовании небольших, но постоянных источников близ горных вершин, перевалов, на изолированных возвышенностях - останцах, где питание дождевыми осадками близко к нулю; гидрологи давно отметили, что карстовые реки не пересыхают все лето, причем их расходы в период без дождей, длящийся иногда 3-4 месяца, поддерживаются на одном уровне (3-6 л/с). Наконец, прямые эксперименты по получению влаги в специальных установках с различным заполнителем (глыбы, щебенка, галька, песок), проведенные в самых разных климатических зонах - от сухих субтропиков до тундры,- показали, что каждые 5 м3 заполнителя генерируют в среднем 1 литр воды.
В 60-70-е гг. в разных районах бывшего СССР были выполнены десятки тысяч замеров микроклиматических параметров полостей. Их обработка показала, что расходы 25 различных карстовых источников, расположенных в 30-1800 м над уровнем моря, строго следуют за изменениями температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха. Только реагируют они на них по-разному и запаздывают на 1-16 часов, что определяется геологическими и гидрогеологическими особенностями района. Связь между расходом и влажностью характеризуется очень высоким коэффициентом корреляции (0,84+0,12). Расчеты показали, что конденсация под землей в среднем составляет 3,5% от годового количества атмосферных осадков. Казалось бы, мелочь. Но не спешите с выводами. Дело в том, что около 50% выпадающих осадков испаряется и, следовательно, не идет на питание подземных вод. Это повышает реальный вклад конденсации до 7% от осадков. Кроме того, конденсация происходит в теплый период, когда дождей сравнительно немного. Поэтому в отдельных карстовых районах летняя конденсация составляет до 30% от разности осадки/испарение, обеспечивая работу одного условного карстового источника с расходом 4-5 л/с с каждого квадратного километра территории.
Казалось бы, проблема решена. Но гидрогеологи, далекие от спелеологии, не верили ее "ползучим" методам. Повод для сомнений был: ведь конденсация происходит только в теплый период, а зимой абсолютная влажность под землей выше, чем на поверхности! Отсюда напрашивается вывод - зимнее испарение компенсирует летнюю конденсацию...
Пришлось опять залезть под землю. Материалы по крымским пещерам не давали ясного ответа, так как там снег в горах стаивает 5-7 раз за зиму, все время "подпитывая" карстовые воды. В такой ситуации отделить конденсационные воды от инфильтрационных почти невозможно. Другое дело - высокогорье и приполярные области, где он лежит всю зиму! "Первый звонок" прозвучал в шахте Снежная на Бзыбском массиве (Грузия). В стремлении преодолеть рубеж 1000 м А. Морозов, Д. Усиков, Т. Немченко и их коллеги с 1977 г. начали проводить зимние экспедиции. В это время им не угрожали катастрофические паводки (летом здесь иногда выпадает до 100 мм осадков в сутки!). Правда, резко повышалась опасность лавин на подходах (что и привело в 1985 г. к трагической гибели трех спортсменов во главе с опытнейшим А. Морозовым). Работая зимой под землей, спелеологи обратили внимание на то, что, несмотря на низкие температуры, на поверхности (до -30 °С), капель под землей не прекращалась.
"Второй звонок" последовал из гипсовых пещер Пинего-Кулойского плато (Архангельская область). В 1981 г. спелеологи В. Н. Малков и Н. К. Франц рассказали о результатах наблюдений над "зимней" конденсацией. Оказалось, что ее интенсивность увеличивается с понижением температуры воздуха на поверхности.
Теперь оставалось обосновать фактические наблюдения теоретическими расчетами. Для этого опять пришлось вернуться в Крым, где имелся богатейший банк данных по микроклимату пещер. В холодный сезон температура воздуха под землей составляет в среднем +10 °С, абсолютная влажность - 9,0 мм рт. ст., а на поверхности -10 °С и 2,2 мм рт. ст. Таким образом, действительно, в этот период происходит вынос влаги из карстового массива. Но (очень важное "но") происходит он не в открытую атмосферу! Парообразная влага из глубины массива поднимается вверх, конденсируется в верхней, охлажденной части массива и на нижней поверхности покрывающего его снега и в виде капели поступает по трещинам и полостям обратно в глубину массива. Таким образом, летняя конденсация - это прибавка в водном балансе карстовых массивов, а зимняя - "вечный двигатель" коррозионных процессов в приповерхностной зоне.
Но не надо думать, что проблема конденсации разрешена. Конденсационная влага в момент зарождения (in statu nascendi, как говорят химики) обладает нулевой минерализацией и очень высокой агрессивностью - способностью растворять горную породу. Это определяет роль конденсации в холодном (образование микроформ на стенах, разрушение натеков) и горячем (образование пещер-шаров над поверхностью термальных, нагретых свыше 20 °С вод) спелеогенезе. Конденсационное происхождение имеют (или могут иметь) десятки подземных новообразований - сталактиты, коры, кораллиты, геликтиты, цветы и пр. Далеко не все ясно и в теории конденсации, и в методах ее определения.
Все это дало основания для постановки Международным союзом спелеологов специальной программы по комплексному изучению конденсационных процессов в карстовых коллекторах. К ее разработке в 90-е гг. подключились лучшие специалисты мира. Можно утверждать, что через несколько лет здесь нас ждут важные открытия.
Еще натурфилософы Древней Греции отмечали многообразие форм существования воды: в атмосфере она находится в виде пара; в порах, трещинах и кавернах - в капельно-жидком виде, стекая по их стенкам; в пещерах образует скопления стоячей (лужицы, озера) или движущейся (ручьи, реки) воды; в благоприятных климатических условиях она формирует значительные скопления снега и льда. Законы движения воды в разных состояниях различны и исследуются методами метеорологии, гидрологии и гляциологии. Чтобы правильно оценить особенности подземного ландшафта, спелеологу приходится использовать основные положения как этих, так и многих других научных дисциплин. Попробуем и мы кратко ознакомиться с "тонкостями" поведения воды под землей.
С парообразной влагой связана одна из самых противоречивых проблем современной гидрогеологии - проблема конденсации. Первые упоминания о возможности конденсации влаги в пещерах Средиземноморья принадлежат древнегреческим философам Фалесу Милетскому и Аристотелю (VII-VI вв. до н. э.). В XVII в. их идеи развили Рене Декарт и Цезарь Кюн, а в 1887 г. Отто Фольгер предложил гипотезу о преобладающем значении конденсации в питании подземных вод. В 1890-91 гг. с ее резкой критикой выступил метеоролог Отто Ганн, и лишь глубокие исследования русского гидролога А. Ф. Лебедева (1908-1936 гг.), оставшиеся почти неизвестными за рубежом, возродили эти идеи на новой теоретической основе.
Прежде всего, было установлено, что парообразная влага может передвигаться независимо от потока воздуха. Она перемещается из зон с большей абсолютной влажностью (е, мм рт. ст.) к зонам с меньшей влажностью, а при их равенстве - из зоны с большей температурой воздуха (t, °C) к меньшей. Оценить значения е и t на поверхности и под землей можно легко с помощью психрометра.
Второй важный момент. По микроклиматическим данным, в теплый период времени (апрель-сентябрь) абсолютная влажность воздуха под землей на 1-7 мм рт. ст. ниже, чем на поверхности. Таким образом, возникает устойчивый поток влаги из атмосферы в карстовые пещеры и шахты, где и происходит ее конденсация.
Теоретические выкладки А. Ф. Лебедева хорошо подтверждались наблюдениями в карстовых районах. По историко-археологическим данным, именно конденсационную влагу использовали жители античных и средневековых поселений Южной Европы и Центральной Азии; гидрогеологические данные свидетельствуют о существовании небольших, но постоянных источников близ горных вершин, перевалов, на изолированных возвышенностях - останцах, где питание дождевыми осадками близко к нулю; гидрологи давно отметили, что карстовые реки не пересыхают все лето, причем их расходы в период без дождей, длящийся иногда 3-4 месяца, поддерживаются на одном уровне (3-6 л/с). Наконец, прямые эксперименты по получению влаги в специальных установках с различным заполнителем (глыбы, щебенка, галька, песок), проведенные в самых разных климатических зонах - от сухих субтропиков до тундры,- показали, что каждые 5 м3 заполнителя генерируют в среднем 1 литр воды.
В 60-70-е гг. в разных районах бывшего СССР были выполнены десятки тысяч замеров микроклиматических параметров полостей. Их обработка показала, что расходы 25 различных карстовых источников, расположенных в 30-1800 м над уровнем моря, строго следуют за изменениями температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха. Только реагируют они на них по-разному и запаздывают на 1-16 часов, что определяется геологическими и гидрогеологическими особенностями района. Связь между расходом и влажностью характеризуется очень высоким коэффициентом корреляции (0,84+0,12). Расчеты показали, что конденсация под землей в среднем составляет 3,5% от годового количества атмосферных осадков. Казалось бы, мелочь. Но не спешите с выводами. Дело в том, что около 50% выпадающих осадков испаряется и, следовательно, не идет на питание подземных вод. Это повышает реальный вклад конденсации до 7% от осадков. Кроме того, конденсация происходит в теплый период, когда дождей сравнительно немного. Поэтому в отдельных карстовых районах летняя конденсация составляет до 30% от разности осадки/испарение, обеспечивая работу одного условного карстового источника с расходом 4-5 л/с с каждого квадратного километра территории.
Казалось бы, проблема решена. Но гидрогеологи, далекие от спелеологии, не верили ее "ползучим" методам. Повод для сомнений был: ведь конденсация происходит только в теплый период, а зимой абсолютная влажность под землей выше, чем на поверхности! Отсюда напрашивается вывод - зимнее испарение компенсирует летнюю конденсацию...
Пришлось опять залезть под землю. Материалы по крымским пещерам не давали ясного ответа, так как там снег в горах стаивает 5-7 раз за зиму, все время "подпитывая" карстовые воды. В такой ситуации отделить конденсационные воды от инфильтрационных почти невозможно. Другое дело - высокогорье и приполярные области, где он лежит всю зиму! "Первый звонок" прозвучал в шахте Снежная на Бзыбском массиве (Грузия). В стремлении преодолеть рубеж 1000 м А. Морозов, Д. Усиков, Т. Немченко и их коллеги с 1977 г. начали проводить зимние экспедиции. В это время им не угрожали катастрофические паводки (летом здесь иногда выпадает до 100 мм осадков в сутки!). Правда, резко повышалась опасность лавин на подходах (что и привело в 1985 г. к трагической гибели трех спортсменов во главе с опытнейшим А. Морозовым). Работая зимой под землей, спелеологи обратили внимание на то, что, несмотря на низкие температуры, на поверхности (до -30 °С), капель под землей не прекращалась.
"Второй звонок" последовал из гипсовых пещер Пинего-Кулойского плато (Архангельская область). В 1981 г. спелеологи В. Н. Малков и Н. К. Франц рассказали о результатах наблюдений над "зимней" конденсацией. Оказалось, что ее интенсивность увеличивается с понижением температуры воздуха на поверхности.
Теперь оставалось обосновать фактические наблюдения теоретическими расчетами. Для этого опять пришлось вернуться в Крым, где имелся богатейший банк данных по микроклимату пещер. В холодный сезон температура воздуха под землей составляет в среднем +10 °С, абсолютная влажность - 9,0 мм рт. ст., а на поверхности -10 °С и 2,2 мм рт. ст. Таким образом, действительно, в этот период происходит вынос влаги из карстового массива. Но (очень важное "но") происходит он не в открытую атмосферу! Парообразная влага из глубины массива поднимается вверх, конденсируется в верхней, охлажденной части массива и на нижней поверхности покрывающего его снега и в виде капели поступает по трещинам и полостям обратно в глубину массива. Таким образом, летняя конденсация - это прибавка в водном балансе карстовых массивов, а зимняя - "вечный двигатель" коррозионных процессов в приповерхностной зоне.
Но не надо думать, что проблема конденсации разрешена. Конденсационная влага в момент зарождения (in statu nascendi, как говорят химики) обладает нулевой минерализацией и очень высокой агрессивностью - способностью растворять горную породу. Это определяет роль конденсации в холодном (образование микроформ на стенах, разрушение натеков) и горячем (образование пещер-шаров над поверхностью термальных, нагретых свыше 20 °С вод) спелеогенезе. Конденсационное происхождение имеют (или могут иметь) десятки подземных новообразований - сталактиты, коры, кораллиты, геликтиты, цветы и пр. Далеко не все ясно и в теории конденсации, и в методах ее определения.
Все это дало основания для постановки Международным союзом спелеологов специальной программы по комплексному изучению конденсационных процессов в карстовых коллекторах. К ее разработке в 90-е гг. подключились лучшие специалисты мира. Можно утверждать, что через несколько лет здесь нас ждут важные открытия.
Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга
