Наблюдения за развитием и деградацией подземных льдов проводились в течение 20-15 лет в различных пещерах Пинежья в рамках мониторинга динамики процессов в подземной составляющей карста. Мониторинги состояния подземной среды в Пинежском заповеднике в настоящее время проводятся в 3 режимных (Певческая эстрада, Ледниковая Волна, Большая Голубинская) и 4-5 контрольных пещерах Голубинского карстового заказника. В задачи исследований входит получение информации о состоянии наиболее динамичных параметрах подземной среды: микроклимате, гидрологии и гидрохимии, развитии подземных льдов, активности экзодинамических процессов. При этом еще в 3 первоначально режимных пещерах они прекращены из-за воздействия "диких туристов" или роста обвальности. Наблюдения проводятся по стандартным методикам с авторскими дополнениями.

К особенностям микроклимата пещер территории относятся низкие среднегодовые температуры воздуха (0,2°С), его высокая влажность, незначительные скорости движения воздушных потоков. Максимальные перепады (амплитуды) температур воздуха режимных пещер в привходовых частях составляют от 8-25 до -40°С (при среднемноголетних значениях от 4 до -10°С), для зон относительной стабилизации – от 8 до -10°С (при среднемноголетних от 2 до -2°С). Для режимных пещер определены амплитуды температур (табл.). Относительная влажность воздуха пещер колеблется от 85 до 100%. Скорости воздушных потоков составляют единицы-десятки см/с. При небольшом входном отверстии или в узких пережимах возможно местное увеличение скорости до первых м/с.

Льды пещер представлены на территории области всеми генетическими классами в широком спектре их видового разнообразия и морфометрических проявлений. Преобладают конжеляционные (связанные с замерзанием жидкой и капельно-жидкой воды) льды, формирование которых происходит за счет вод, поступающих из зон вертикальной нисходящей и горизонтальной циркуляции. Метаморфические и сублимационные льды развиваются в меньшем объеме.

Период наблюдений: *1992-2000, **1988-2000, ***1984-2000

Типичными формами для северных пещер являются наледи и остаточные наледи (жилы), льды-цементы, покровные льды водоемов, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, ледяные кристаллы. Своеобразные формы - ледяные сифоны и вертикальные наледи (экраны) – первые развиваются на постоянных подземных ручьях, вторые в зоне фронтального разбрызгивания водопадов и капельных источников (рис.1,2).

Рис. 1. Вертикальная наледь, пещера Северный Сифон.

Рис. 2. Наиболее типичные ледяные образования Пинежских пещер. 1 - наледь на наклонно-нисходящем входе; 2 - движущаяся склоновая наледь; 3 - лед водоемов; 4 - остаточная ледяная закраина; 5 - сталактиты; 6 - сталагмиты; 7 - вертикальная наледь в зоне разбрызгивания ручья; 8 - ледяные кристаллы; 9 - сталагнаты; 10 - остаточная наледь; 11, 12 - ледяной сифон.

Большинство пещер Пинежья горизонтальны и субгоризонтальны, обычно имеют наклонно-нисходящий, реже провальный или субгоризонтальный вход. Как правило, пещеры мешкообразные, имеют только один вход, но высокая трещиноватость пород и развитие органных труб, связанных с поверхностью, создают хорошие условия для движения воздушных потоков и разность температур между гипсометрически более низкими привходовыми зонами и ловушками теплого воздуха в присводовых частях.

Основные объемы подземных льдов Пинежья составляют крупные наледи различной морфологии и генезиса. Большинство из них связано с динамикой водных потоков в пещерах и подтоком талых снеговых и дождевых вод с поверхности. Последние развиваются в привходовых и прибортовых зонах пещер, где имеется свободный доступ по открытым, обычно наклонно-нисходящим входам. Такие наледи существуют в течение длительных периодов, их частичное таяние определяет доступность пещерных входов.

Наиболее значительные объемы многолетних подземных льдов и перелетков образуются в привходовых участках пещер, в зонах отрицательных температур, имеющих обычно протяженность до 100-200 метров. В более удаленных частях полостей, где преобладают положительные температуры воздуха, развитие ледяных образований происходит фрагментарно и вызвано локальными подтоками воды и холодных воздушных масс, что связано с органными трубами либо близостью участка полости к прибортовой зоне.

Развитие сезонного льда происходит круглогодично, однако основные его массы образуются в три цикла (Малков В.Н., Гуркало Е.И., и др, 2001):

Предзимний цикл – в пещерах начинается развитие ледяных кристаллов, натечных образований: сталактитов, сталагмитов и сталагнатов, наледей, ледяных кор, а также покровов на озерах и ручьях. В это время происходит образование ледяных сифонов в узких пережимах пещер, происходящее либо при развитии наледи на малодебитных ручьях, либо при срастании сталагнатов. С ледяными сифонами на ручьях связаны подпорные зимние паводки, в результате которых развиваются наледи значительной протяженности. Рост объема ледяных образований может продолжаться в течение всего зимнего периода, преимущественно, за счет инфильтрационных вод (рис.3).

Рис. 3. Провал висячего льда зимнего паводка, пещера Голубинская-1.

Предвесенний цикл связан с поступлением в пещеры влажного воздуха во время оттепелей, при этом образуются крупные беспорядочно ориентированные кристаллы. При высоком подъеме воды и малой поглощающей способности поноров образуется покровный лед на паводковых водоемах.

Летний послепаводковый цикл проявляется в промерзании переувлажненных рыхлых отложений в пещерах, при этом образуются сегрегационные кристаллы, вертикально пронизывающие толщу заполнителя или выжимающиеся на его поверхность в виде изогнутых игольчатых кристаллов. С паводковыми весенними водами связан и рост объема многолетних ледников, питающихся, преимущественно, талыми снеговыми водами, проникающими в пещеры по трещинам в прибортовой зоне. В остальное время года типичны метаморфические явления, таяние и испарение льда.

Особенности внутригодовой динамики льда пещер юго-восточной окраины Беломорско-Кулойского плато определяются действием высокоскоростных водных потоков во время весеннего паводка. Ими практически полностью уничтожаются льды "зимней" генерации – до уровня максимального подъема или подпора воды. Замерзание подпрудных водоемов паводкового подтопления и промерзание переувлажненных заполнителей дают "эффект лeдника" и также влияет на температурный режим.

Для пещер, находящихся в массивах с меньшей динамичностью процессов, влияние паводковых вод менее значительно. Кулогорская система плавно подтопляется речными паводковыми водами, для пещер Чугского массива, ввиду особенностей водосбора, характерны более низкие скорости, более кратковременные подъемы паводковых потоков. Об этом свидетельствует, например, сохранность пласта ледяных кристаллов, отставшего от свода, в пещере Красная Радужка. Пластическая деформация его явно происходила до начала паводка, однако слаборазрушенная поверхность сохранила следы паводковых наносов.

В развитии и деградации многолетних льдов пещер установлена определенная цикличность, связанная с климатическими изменениями на поверхности земли. Высока также вероятность связи с ритмами солнечной и космической активности. При этом рост ледяных отложений может быть связан с ними через динамику процессов паводковых, дождевых ритмов. Так называемое "глобальное потепление" отразилось на развитии льда очень своеобразно и опосредовано.

Наледи в пещерах Пинежья, как правило, имеют небольшую протяженность и развиваются в привходовых и прибортовых зонах пещер на участках наклонного коренного ложа, что обеспечивает смещение ледяных масс - пластическое течение, либо с деформацией ледникового тела. Они обладают таким важным "ледниковым" свойством, как образование моренных включений за счет гравитационных отложений, вмерзающих в лед, а также наносов песчано-глинистого материала. На входах в пещеры и при близости фрагментов полостей к прибортовой зоне они образуются при поступлении талых снеговых и дождевых вод с прибортовой зоны пещеры. Прирост льда происходит, преимущественно, в весенне-летний период, в прочее время наблюдается таяние и испарение льда, передислокация ледникового тела. Протяженность наледей достигает первых десятков метров. Наиболее ярко этот механизм выражен в пещере Ледяная Волна, в которой в 70-е годы ХХ века лед был развит почти до свода полости. С момента повторного открытия пещеры в 1992 г. в ней произошла серия крупных обвалов свода, перекрытие ледяным сифоном доступа в нижний ярус, образование нового прохода из верхнего яруса в средний. Отмечен интенсивный прирост льда, причем в первые 5 лет наблюдений отмечалось движение верхнего слоя по склону, при увеличении его мощности к 1998 г. в среднем на 1 м. движение прекратилось. В октябре 2004 г. верхний ярус пещеры был полностью перекрыт обрушением фрагмента органной трубы, объемом свыше 85 м³.

Остаточные наледи являются наиболее разнообразными по времени своего образования и длительности существования. Встречаются вскрытые ледяные жильные тела, развитые в прибортовых зонах пещер, формировавшиеся как повторно-жильные пластовые образования полостей. Строение их подтверждает гипотезу фронтального роста с приращением по верхнему контакту за счет намерзания конжеляционного льда в горизонтальной плоскости (Попов, 1967). Горизонтальные прослойки песчано-глинистого состава в ряде случаев сохранившихся фрагментов таких наледей свидетельствуют о многолетнем характере развития. Отличаются слоистостью, высоким уровнем перекристаллизации, лед, как правило, непрозрачный, с включением воздушных пузырьков. Вскрытие происходило паводковыми потоками с дальнейшей обработкой вертикальной поверхности вскрытого льда аэродинамическими потоками. С начала активного исследования пещер отмечается постепенная деградация остаточных наледей.

Особую роль играет образование наледей (ледяных сифонов) приводящих к вскрытию/закрытию пещерных входов или внутренних участков полостей. Они связаны с ростом либо таянием замыкающих сечение полостей. Возможно как полное выполнение льдом объема полости, так и локальное развитие подвешенных наледей (рис. 4). Помимо наледей на ручьях и стоячих водоемах, имеющих, как правило, сезонное развитие, эти формы развиваются на наклонных нисходящих входах пещер, ограниченных сверху гравитационным сколом. Такие наледи формируются в период весеннего снеготаяния, заполняя сечение до скола чистым льдом либо льдом, смешанным с коллювиальными и делювиальными отложениями. Подобный механизм типичен для большинства пещер территории с небольшими по высоте наклонными нисходящими входами.

Рис. 4. Закрытие наклонных нисходящих входов в пещеры и проходов при образовании наледей (Шаврина, 2002). А - частичное перекрытие при широком входном пролете; Б - полное закрытие с перекрытием льда делювием и заполнением зала; В - с образованием ледяного сифона и подрезкой наледи ручьем; Г - намерзание наледи в узком пережиме пещеры. Условные обозначения: 1 - гипсоангидритовая толща; 2 - доломитовый водоупор; 3 - вторичные отложения (делювиальные или коллювиальные); 4 - лед.

В конце 90-х гг. вскрылся ряд входов в пещеры Кулогорской системы, найденных в конце 60-х годов и закрытые в средине 70-х (Франц, 2000). Эти явления зафиксированы и для ряда пещерных входов на территории заповедника. В пещере Малая Голубинская в 1986 году произошло вскрытие верхнего входа, который в момент топосъемки пещеры, вероятно, был закрыт висячим ледяным сифоном. Тот же механизм развития наблюдался для входов в пещеры Деликатная, Китеж (верхний вход), Е 30 и для спуска в один из залов пещеры Ледяная Волна. В пещере Дворец Снежной королевы вскрытие и закрытие ледяного сифона сопровождалось крупными обрушениями привходовой зоны.

Развитие и деградация ледяных сифонов процесс обратимый; периоды между вскрытием и закрытием входов составляют для различных пещер от 9-13 до 20-25 лет. С большой долей вероятности эти процессы можно отнести к ритмическим. В настоящее время происходит интенсивный прирост льда на наклонно-нисходящих входах пещер, в которых проводятся контрольные наблюдения.

Следует отметить, что подобные явления выявлены не только для подземного, но и для поверхностного карста. Массовое вскрытие ледяных сифонов в понорах воронок отмечалось в конце 90-х годов ХХ века на большей части территории исследований. Процесс сопровождается оползнями склонов воронок, вывалом деревьев. Антропогенное воздействие на динамику развития льда в северных пещерах изучено слабо. Однако, уже сейчас можно отметить сокращение объема наледи на входе в пещеру Голубинский Провал и роста ледяных кристаллов в летний период, когда количество экскурсантов достигает 200 человек в день.

Таким образом, наблюдения динамики развития льда в пещерах является важной составляющей для оценки динамики подземной среды в целом. Пещерные льды, помимо их эстетической ценности, являются индикаторами изменения состояния пещер, особенностей их микроклимата и гидродинамики. Велика их роль в повышении устойчивости карстового массива, особенно в зонах прибортового дробления пород карстовых логов и речных долин. Льды-цементы в условиях сильно трещиноватых пород значительно продляют время существования пещер. С таянием многолетних подземных льдов связаны обвальные явления в коренных породах на поверхности карстовых массивов и в самих пещерах, вскрытие или обрушение пещерных входов.

Список литературы

1. Малков В.Н., Гуркало Е.И., Монахова Л.Б., Шаврина Е.В. и др. Карст и пещеры Пинежья. – М.: Ассоциация "Экост". –2001. – 208 с.
2. Попов А.И. Мерзлотные явления в земной коре (криолитология). М., идз. МГУ,1967, 304 с.
3. Шаврина Е.В. Карст юго-востока Беломорско-Кулойского плато, его охрана и рациональное использование // Автореферат канд. дисс. Пермь, 2002. 22 с.

_____________________________________

¹ Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ, грант № 05-05-64819

Роль материковых оледенений

Особенности развития карста