Для начала нужно в нескольких словах объяснить, почему вообще появляется лёд в пещерах. Ясно, что причиной тому служит наружный зимний холод. Но чтобы холод проник в первично тёплую пещеру, необходимы дополнительные причины. Каковы они? Во-первых, холод накапливается в пещерах-ловушках (понижающихся от входа и, как правило, не имеющих сквозной циркуляции воздуха). Иначе их называют "холодными мешками". Холодный и тяжелый зимний воздух вытесняет тёплый внутренний, а летом более лёгкий тёплый воздух не может проникнуть в полость. Вода попадая в пещеру весной, образует лёд (наледи и сталагмиты).

Другой тип полостей - пещеры с двумя (или более) входами на разных высотах. В них образуется постоянная тяга воздуха: зимой - от нижнего входа к верхнему, а летом - наоборот. В результате, у нижнего входа возникает холодная температурная аномалия, а у верхнего - тёплая. Это означает, что у нижнего входа среднегодовая температура воздуха ниже характерной для средней части пещеры, а в верхней - выше. Когда в промороженную часть полости попадает вода, образуется лёд. В ряде случаев его так много, что он не успевает растаять за лето и сохраняется до следующей зимы.

Третий тип полостей - колодцы, в которых зимой накапливается снег. Часто благодаря метелям его оказывается в колодце гораздо больше, чем выпало на поверхности. Иногда в колодце в 20 раз больше снега, чем на поверхности. Снег постепенно перекристаллизовывается в лёд и сохраняется до новых холодов, частично подтаивая летом.

В таких пещерах можно встретить разнообразные ледяные формы: сталактиты, сталагмиты, колонны, геликтиты, кристалликтиты, кристаллы изморози, снег, фирн, ледяные покровы, каскады, драпировки (флаги), коры и другие массивные скопления льда (наледи), а также ледники. Большинство ледяных образований широко распространено в пещерах, поэтому мы подробно их рассматривать не будем. Но вот на некоторых формах льда, встречающихся достаточно редко, мы остановимся.

Пещерный виноград

Ледяной "виноград" в пещере Кулогорская-1. Июль 1999г. Фото Н.Франца

Поскольку формы ледяных натёков в точности повторяют карбонатные натёки, то понятно, что следует говорить о ледяных кораллитах (это именно они) и сложных формах (ансамблях) - ледяных кораллитовых сталагмитах (фото с "виноградом"). Исходя из названия, легко догадаться, как он образовался. Кораллиты растут из плёнок воды. Поскольку для льда плёнка воды на его поверхности далеко не так устойчива, как на поверхности карбонатного натёка, то рост этих форм возможен только вблизи источников воды, а конкретно в районе распространения брызг, т.е. под водопадами или вблизи них, у капелей и т.д. Откуда же берутся водокапы, если для образования льда пещеры должны быть проморожены? Холодный воздух тяжелый, и он всегда перемещается вдоль дна пещер. И если ход достаточно высок, то свод может и не промёрзнуть, тогда и растут сталагмиты.

Но иногда мы видим, что на сталактитах растут кристаллы изморози. В таком случае можно говорить, что сначала выросли сталактиты (тогда ещё по трещинам свода к ним поступала вода), потом свод полости промёрз настолько, что вода перестала поступать, и сталактиты "отмерли", и на них, так же, как и на своде, стали расти сублимационные кристаллы.

Вернёмся к "винограду". Если воды в полость поступает много, то образуются редкие кораллиты с крупными "виноградинами". При понижении температуры кораллиты начинают "прижиматься" к месту капели и количество их увеличивается. Даже если виноградины растут густо, то они не срастаются между собой до тех пор, пока не прекращается поступление брызг. Кораллиты опоясывают место капели вокруг и направлены "виноградинами" к источнику влаги. Чаше всего они растут на выступах или рёбрах камней (как и карбонатные кораллиты). При уменьшении интенсивности капели кораллиты будут расти ближе к ее центру. Когда же капель станет совсем редкой, начнёт расти сталагмит. Если в процессе его роста изменятся условия поступления воды (появится разбрызгивание), то могут опять возникнуть условия, благоприятные для роста кораллитов. Так появляется виноградный (брызговой) сталагмит. Понятно, что капель на него должна поступать с непромерзшего свода.

"Падающие" и полосатые сталагмиты

Сначала немного о росте сталагмитов. Понятно, что для их роста нужна капель и отрицательная температура воздуха. Чем ниже температура, тем быстрее замерзает упавшая капля. При этом в воде остаются растворённые газы и соли. Поэтому образуется молочно-белый лёд. При температуре близкой к нулю, замерзание идёт медленнее, вода освобождается от растворённого в ней газа, да и "рассол" (если он остаётся после замерзания воды) успевает стечь к боковым частям сталагмита. В результате растёт прозрачный сталагмит. Если же мы видим чередование прозрачных и белёсых полос льда в сталагмите (при взгляде сбоку), то можно говорить о чередовании тёплых и более холодных периодов вне пещеры и даже приблизительно оценить их продолжительность (если знать скорость роста для каждого периода - она может различаться при потеплении и похолодании). Когда температуре воздуха в пещере не очень низкая, а воды достаточно, она успевает стекать по бокам сталагмита, что ведёт к формированию конических форм. Капель в нескольких местах по соседству обуславливает образование сталагмитов сложной формы. Если капель редкая, то растут более стройные формы, в пределе - сталагмиты-палки. Они растут исключительно в верхней части и в высоту могут достигать нескольких метров. При возрастании интенсивности капели может возникнуть утолщение сталагмита в его верхней части, и он станет похожим на булаву. Если сталагмиты растут в пещере, где есть два или более входа, расположенные на разных уровнях, то сильные сухие ветры, дующие вдоль пола, приведут к испарению льда (более интенсивное в основании сталагмита, так как воздух здесь суше). Интенсивное испарение ведёт к уменьшению толщины ножки сталагмита в основании. Причём в самом тонком месте он может изгибаться или ломаться.

В гипсовых пещерах вода насыщена сульфатом кальция, причём довольно сильно (до 2 г/л). При испарении льда на поверхности ледяных образований остаются белёсые хлопья гипса - "гипсовая мука". Иногда на полу галереи можно увидеть короткую полосу гипсовой муки - это следы некогда стоявшего здесь сталагмита, упавшего и испарившегося. Остатками сталагмитов являются и так называемые "ледяные яйца".

Испарение льда оставляет карбонатную муку и в известняковых пещерах (она очень похожа на гипсовую). Здесь, также как и в гипсах, при замерзании воды сначала образуется пресный лёд, а остаточный "рассол" стекает под уклон. Поэтому центральные части сталагмитов состоят из более пресного льда, чем периферийные. То же самое мы наблюдаем на наледях - покровном льде. Чем ближе к источнику воды, тем лёд более пресный. Соответственно, чем больше приток воды (а он зависит от внешней температуры), тем дальше распространится пресный лёд. То есть в разрезе наледи будет чередование более солёных и более пресных ледяных прослоек.

Остаточный продукт испарения льда - гипсовая мука на ледяном сталагмите. Фото Б.Мавлюдова

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что нельзя брать произвольно выбранный кусок пещерного льда для проведения химических анализов. Да и несколько образцов нам ничего не скажут, кроме, пожалуй, того, что пещера находится в известняках или гипсах, что можно понять и без анализов. Для выяснения динамики описанного здесь процесса необходимы длительные детальные режимные наблюдения в пещерах, включающие исследование состава поступающей воды и изменения его в зависимости от окружающей температуры и пути, пройденного водой от точки, где началось её замерзание.

Движение льда в пещерах

Движение льда в пещерах - это, пожалуй, одно из самых малоисследованных направлений спелеогляциологии. Из того, что сейчас известно о движении льда, можно сказать следующее. Перемещение льда в полостях происходит несколькими способами: с нарушением и без нарушения сплошности.

При таянии висячих наледей (сталактитов, драпировок, каскадов и др.) они полностью или частично обрушиваются со сводов и стен. В пониженных точках рельефа пола полости обломки льда могут скапливаться в значительных количествах и иногда перелетовывать.

Другой тип движения - блоковый. То есть при оттаивании подошвы наледи, расположенной на крутом склоне, происходит её перемещение вниз по откосу без нарушения сплошности. Скорости перемещения в этом случае невелики. Такое явление характерно для пещеры Кутук-Сумган на Урале. Обрушение наледей (в том числе и висячих) в вертикальных полостях способствует проникновению льда в более низкие уровни полости.

Собственным движением обладают пещерные ледники. Как правило, они образуются из наметаемого снега путём превращения его в лёд (перекристаллизации). Замечено перемещение льда на некоторых таких ледниках в пещерах США и Франции. У нас измерения проводились только на пещерных ледниках Кузнецкого Алатау. Скорость движения льда не превышала 0,5 м/год, однако при этом перед языком ледника образовывалась морена в виде валика обломков и рыхлого материала.

По наблюдениям Е.П. Шавриной (Пинежский государственный заповедник) и других спелеологов (устные сообщения) получается, что самостоятельным движением обладают и очень крупные пещерные наледи. Но пока никто документальных подтверждений этого не предоставил.

Своеобразны ледяные тела, заключённые в вертикальных щелях. Если подо льдом есть пространство, заполненное воздухом, то лёд в щели начинает медленно перемещаться (течь) вертикально вниз, причём очень медленно, т. к. такие щели чаще всего сужаются книзу. В верхней части пропасти Снежной (Кавказ) в районе ледового зала имени Гвоздецкого на стенах видны вертикальные полосы, которые могут быть следами такого движения льда.

Неравномерность толщины сталагмита и неоднородность кристаллической структуры льда отражают переменчивость условий его роста: относительно тонкие сегменты "мутного" льда соответствуют периодам интенсивного поступления морозного воздуха с поверхности, прозрачные утолщения - более тёплым временам.

Ледяные цветы

"Шуба" из ледяных кристаллов и сталагмиты "на тонких ножках" наглядно иллюстрируют два противоположных процесса: испарение оснований сталагмитов под действием "холодного суховея" с поверхности и образование сублимационного льда на переохлаждённых сводах из влажного пещерного воздуха. Фото Б.Мавлюдова

Резкое проникновение морозного воздуха в пещеру с сильно увлажнёнными рыхлыми отложениями или с тающим льдом может привести к росту своеобразных ледяных цветов, которые состоят из волокнистых кристаллов льда. Такой лёд растёт и вне пещер, часто это происходит на поверхности увлажнённой рыхлой почвы при резких похолоданиях; тогда возникают похожие на щетину щётки ажурных тонких ледяных кристаллов, которые способны поднимать рыхлый мусор, опавшие листья и небольшие камни. Тот, кто видел гипс в виде селенита, легко может представить себе такой лёд: он состоит из сростков параллельных столбчатых полых внутри кристаллов. В пещерах такой лёд может расти и на поверхности влажной породы, как бы вылезая из едва видимых трещинок. Возникают сначала слегка изогнутые, а потом и закрученные в спирали ажурные и прозрачные ледяные цветы. Гляциологи называют такой лёд сегрегационным. По форме ледяные цветы точно такие же, как известные гипсовые цветы - антолиты. Растут они точно так же - от основания, из поступающей из трещинки капиллярной воды.

Иногда на полу в пещерах Пинеги можно встретить ледяные кустики (они, действительно, похожи на кусты в миниатюре) - это кристалликтиты, которые растут на ледяном полу некоторых галерей. Они поднимаются над полом на высоту до 10 см, хорошо разветвлены и заканчиваются острыми иглами. Большинство игл направлено в сторону, откуда поступает влажный воздух, ведь они растут из водяного пара, как снежные кристаллы.

Лёгкий и тяжёлый лёд

Согласно большинству справочников, удельный вес льда равен 0,918 г/см³. Обычно эту величину и используют при различных расчётах, но вот снег обладает другой плотностью. Даже самый плотный снег в пещере легче 0,5 г/см³ и только фирн - озернованный снег - имеет более высокую плотность. В большинстве своих измерений плотности пещерного льда я не получал величин более 0,92 г/см³, независимо от его солёности. Однажды, взвешивая кубик, выпиленный из ледяного сталагмита зала Гвоздецкого в Снежной, я получил плотность 1,12 г/см³. Перепроверка дала ту же величину. Подобные "выбросы" встречались в моей практике всего несколько раз. Однажды я встретил и в литературе ссылку на подобные явления. С чем они связаны - неизвестно.

Мир ледяных кристаллов

На Памире, в одной из штолен в кварцитах, на высоте около 5000 м среди друз чистейшего кварца встречаются скопления льда (немудрено, ведь кругом мерзлота). Когда берёшь в руку кусочек этого прозрачного льда, то ощущаешь, что он легче, чем обычно. Но взвешивание такого льда дало обычный удельный вес…

Полости внутри льда

Иными словами, здесь мы будем говорить о пещерах в пещерных льдах. Пещеры это очень специфический природный объект. Если узкий округлый ход сильно охладится за зиму, а затем на короткое время его целиком затопит паводковая вода, то после ухода воды можно увидеть галерею, как бы облицованную льдом (фактически, это донный лёд). Находясь в такой галерее, окажешься внутри ледяной трубы. Кроме таких "ледяных труб" встречаются каналы в скоплениях льда.

Часто полости в скоплениях пещерного льда образуются под капелями. Это могут быть небольшие углубления во льду или даже колодцы, если толщина льда велика.

Замкнутые со всех сторон полости внутри льда могут появиться после того, как вход ледяную (или снежную) нишу засыплет снегом.

"Усатые сталактиты". Когда в большие морозы в пещеру проникает сильно охлаждённый воздух, на ледяных натёках образуются не обычные кристаллы льда, а тонкие ледяные иглы - кристалликтиты. Фото Л. Франц

Самые большие полости образуются там, где много льда. Например, в пропасти Снежная на Кавказе в Большом зале один из колодцев в снежно-ледяном конусе имеет глубину 23 м при верхнем диаметре 14 м. Видимо, это самая крупная полость в пещерных льдах. Есть в Снежной колодцы и меньшей глубины, возникшие под водокапами. Если они не достигают основания льда, то имеют коническую, сужающуюся книзу форму.

Чаще всего встречаются полости, у которых ледяные только свод или стена и пол, или только стена. Фактически, это лишь отгороженная часть пещеры или стены колодца.

Если пещера часто посещается, то узкий проход, затекающий льдом, иногда искусственно подправляется. В Добшинской пещере в Словакии в основании наледи, заполняющей гигантский зал, специально прорублен туннель в толще льда, по которому проходят экскурсанты.

Лавины в пещерах

Звучит завораживающе, но вполне возможно. Во всяком случае, в пропасти Снежной отмечались несколько раз. Во-первых, во входном колодце. Известно, что он имеет глубину 40 м и за зиму заполняется снегом настолько, что в него можно спускаться без навески, используя лишь перила. На Кавказе часть осадков выпадает в виде рыхлого снега, а иногда в форме снежной крупы. Последняя очень текуча и на крутых склонах течёт, как вода, создавая "мелкие" водотоки в неглубоких руслах, которые стремятся слиться в более крупный поток, направляясь вниз по склону входного колодца. Кроме таких крошечных неопасных лавинок, могут быть и более мощные, когда накопившийся снег на дне колодца образует очень крутой склон (более 60°), который неустойчив и может сползти или обрушиться вниз. Известны случаи, когда он заваливал палатки, стоящие на дне колодца, и даже засыпал группу, выходящую из пещеры. Из-за широкого прохода в нижнюю часть пещеры, сползающий в виде лавины снег обрушивается вниз и, скользя по уступам, залепляет все неровности на своём пути. Если снега достаточно много, то он может достичь и Большого зала на глубине 200 м от поверхности. Здесь он накапливался в виде снежного конуса с незапамятных времён, ссыпаясь со свода зала высотой 60 м. Заполнив неровности, снег начинает постепенно заполнять саму галерею, ведущую в Большой зал. Заполнение начинается снизу, а потом распространяется вверх до тех пор, пока в каком-нибудь узком месте галерея полностью не перекроется снегом. Такое обычно происходит на поворотах наклонной галереи. Бывает, что первая же лавина перегораживает проход вниз к Большому залу, и тогда весной прохода в снегу вниз просто нет. Он оттает только летом после сильных дождей. Другие случаи лавин в пещерах в литературе не описаны.

Ложный пол

Те, кто бывал в спелеоэкспедициях на Пинеге, видели в пещерах пол, покрытый ажурным льдом. Часто достаточно только наступить на него, как большой его участок обрушивается, и тогда становится видно, что он держался на заберегах и образовался, когда в промороженной полости недолго стояла вода в виде озера. Лёд, намёрзший на поверхности такого озера, и образовал ложный ледяной пол. В ледниковых пещерах мне доводилось видеть обрушенные остатки такого льда и забереги толщиной до 10-15 см.

Мир ледяных кристаллов

Сублимационные кристаллы льда в пещере Малая Голубинская поражают красотой форм и размерами даже в разгар лета. Июль 1994г. Фото Н.Франца

Блестящие грани снежных кристаллов пещерной изморози являются великолепным украшением многих пещер. Их белизна, чистота и воздушность производят огромное впечатление. Но далеко не все обращают внимание на форму кристаллов, а она небезынтересна. В идеале снежные кристаллы шестигранные, вернее образуют шестигранные пустотелые пирамиды, растущие основанием вверх.

Идеальные по форме кристаллы возникают в стабильных или близких к ним условиях. Известны случаи, когда такая полая шестигранная пирамида имела основание диаметром 15 см. Часто для шестигранных пирамид характерна более сложная форма (например, одна или несколько спиралей), а во многих случаях пирамиды развиты лишь частично, когда можно видеть 2 или 3 грани пирамиды (лотковые кристаллы). Кроме шестигранных пирамид, в пещерах могут расти столбчатые (тетрагональные) или пластинчатые кристаллы.

Поскольку климатические условия в пещерах, обусловленные температурой, влажностью воздуха, атмосферным давлением и скоростью ветра, не имеют столь резких колебаний, как на поверхности Земли, то ледяные образования, даже самые ажурные, способны сохраняться в полостях значительно более длительное время, чем на поверхности. Вспомним хотя бы о снежных кристаллах, которые могут в почти неизменном виде сохраняться чуть ли не целый год или о ледяных колоннах, которые почти не меняются в течение десятилетий (как, например, в Кунгурской пещере). Лёд в пещерах интересен не только тем, что он гораздо более многообразен, чем на поверхности, но и тем, что наблюдать его здесь необычайно увлекательно. Ледяные натёки по своей форме полностью копируют все карбонатные натёки, что говорит об одинаковых закономерностях формирования тех и других. И это сходство наблюдается несмотря на то, что химизм процессов отложения карбоната из раствора и кристаллизации тонких плёнок льда совершенно различен. Ледяные натёки образуются много быстрее, чем карбонатные, а это значит, что, изучая их, мы сможем гораздо больше понять закономерности роста карбонатных натёков.

Тема пещерного льда, затронутая в этих заметках, ещё далеко не исчерпана. Мы ничего не сказали о влиянии климата на образование льда в пещерах, о возрасте льда, о цикличности накопления льда, его использовании и многом другом.

Лёд в пещерах ещё далеко не изучен и потому, наблюдая за ним в пещерах, вы, если будете терпеливы и внимательны, сможете обнаружить самые неожиданные его формы (а, возможно, и никем до вас невиданные). А может быть, и сделать поразительные открытия, которые уже почти невозможны на поверхности нашей Земли.

Прикладные аспекты

Ледяные образования пещер