Пещерные отложения

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"^*.

^* ( М. В. Ломоносов. О слоях земных. М., Изд-во АН СССР, 1949, стр. 43.)

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 З. 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.

^* (Г. Т. Уарвик (1953) выделяет этот тип под названием "натечная формация" .)

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

^* (Название "сталактит" происходит от греческого слова "сталляктос - текущий по капле. В русской специальной литературе натечные образования первоначально назывались капельниками.)

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.

Рис. 3. Конусообразные сталактиты, развивающиеся в озерном гроте Дивьей пещеры (Урал)

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.

Рис. 4. Продольный разрез верхней части сталактита из Дивьей пещеры. Внутренняя питательная полость значительно сдвинута к краю сталактита

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 изменяются, 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 карбонаг 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 (1940), 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.

Рис. 5. Продольный разрез сталактита из Шатрового грота Дивьей пещеры (увеличено в 46 раз). Хорошо прослеживается зернистое строение кальцита

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.

^* (Самый крупный в мире сталагмит высотой 63,2 м найден в пещере Мартин (Куба). Второе место занимает сталагмит в Красногорской пещере (Чехословакия), высота его 32,7 м. Широко известен также сталагмит Карлсбадской пещеры (США), достигающий 18,9 м высоты и 4,9 м в поперечнике.)

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).

Рис. 6. Продольный разрез сталагмита из Дивьей пещеры

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 и более.

^* (Самый крупный гур в мире найден в пропасти Пети Сен-Кассиен (Франция, Вар) на глубине 229 м, Высота его 13 м.)

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 И 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.

^* ( Д. В. Наливкин (1956), на наш взгляд, правильно все сферические концентрически слоистые образования называет оолитами, не подразделяя их по размеру на оолиты и пизолиты.)

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"^*.

^* (Н. Т. Чолаков. Пещерный жемчуг Болгарии. - Сб. "Пещеры", вып. 4(5). Пермь, стр. 75.)

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 отличается от 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.

^* (Биогенный жемчуг имеет вид небольших шариков сферической или неправильной формы, развивающихся в раковинах некоторых моллюсков. Он сложен преимущественно углекислым кальцием и характеризуется концентрическим расположением тончайших слоев перламутра, который состоит из очень тонких пластинок особой разновидности углекислого кальция - арагонита. В состав морского жемчуга входят: углекислый кальций (арагонит) - 91%, органические вещества - 4, вода - 4 и другие вещества - 1%.)

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).

Рис. 7. Стадии эволюции карбонатного литогенеза пещер (по Г. А. Максимовичу): 1 - покровные натеки; 2 - гуры; 3 - массивные сталагмиты; 4 - пагод аобразные сталагмиты; 5 - пальмовые сталагмиты; 6 - конические Сталактиты; 7 - сталагмиты-палки; 8 - трубчатые сталактиты; 9 - уплощенные сталактиты; 10 - эксцентрические сталактиты; 11 - эксцентрические эксудаты. I - притоки, в л/сек; II - log притока, л/сек/log p CO2 атм

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 см³/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 см³/сек), сложные сталактиты с широким основанием (10^-5-10^-6 см 3/сек) и эксцентрические сталактиты (10^-6-10^-7 см³/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 Анакопийской 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).

Таблица 1. Гранулометрический и минералогический состав остаточных и пластичных глин Анакопийской пещеры (по Тинтилозову, 1968)

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. 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 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. м³ (т. е. более 1 млн. т породы), причем объем отдельных глыб достигает 8-12 м³. Мощные глыбовые навалы отмечены также во многих других пещерах (рис. 8).

Рис. 8. Глыбовый навал в гроте Ветлан Дивьей пещеры

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 инфильтрационным 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 м², 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 м². 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 (Зеравгаанский 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.).