Материал впервые опубликован в сборнике научных работ "Науковий вicник Чернiвецького унiверситету" №220, 2004г., Чернiвцi, "Рута". Здесь печатается с небольшими сокращениями. Перевод с украинского – Н. Франц.

Пещерное оледенение с многолетними пещерными ледниками – характерная особенность пещер северных регионов, а также горных областей. По мере смещения на юг, период нахождения инфильтрационных вод в пещерах в виде естественного льда становится все короче. Северная Буковина (47-48° с.ш.) относится к районам, где оледенение пещер, расположенных вне гор, имеет сугубо сезонных характер.

С процессами обледенения связано "вымораживание" минеральных компонентов водных растворов. Характерная для пещер, особенно гипсовых, высокая минерализация инфильтрационных вод, а также наличие периодов с низкими (<0° С) температурами создают необходимые условия для вымораживания и накопления "сухого остатка" водных растворов. В северных пещерах криоминерагеничный процесс отличается простотою и относительной неизменчивостью. В более южных районах рецидивный (оттепели) характер таяния ледяных образований вносит (в условиях колебаний температуры возле нулевых значений) в процесс кристаллизации, агрегации и аккумуляции вымороженного материала существенные усложнения.

Рассмотрим подробнее криоминеральные агрегаты буковинских гипсовых пещер, их строение и особенности. Исследования были проведены в двух значительных гипсовых пещерах – Буковинке и Пионерке.

Пещеры Буковинка и Пионерка

Среди гипсовых пещер Северной Буковины наибольшим количеством и разнообразием сезонных ледяных образований отличаются пещеры Буковинка и Пионерка. Пещеры расположены на Прут-Днестровском междуречье и образованы в миоценовых гипсах Прикарпатской евапоритовой формации (Андрейчук, 1988) (1). Обе пещеры относятся к сравнительно большим спелеологическим объектам: их протяженность составляет 5155 м (Буковинка) и 530 (Пионерка) (5, 6).

По своим морфолого-генетическим особенностям пещера Буковинка относится к характерному для всего Подольско-Буковинского региона лабиринтовому типу пещер и является спелеологически обследованным фрагментом обширной системы карстовых полостей, в значительной мере заполненных рыхлыми отложениями. Пещера имеет, в основном, фреатическое (артезианское) происхождение (1).

Входы в пещеру Пионерка расположены в днище карстового лога (яра?) – реликтового спелеообразования с фрагментами пещерного канала (каньон) и сводов, сохранившихся над ним (арки, мосты). Пещера развилась и функционирует как большой понор, дренирующий значительный по площади поверхностный водосбор. Морфология пещеры отображает ее генезис: извилистые коридоры, расположенные на нескольких уровнях, фиксируют несколько этапов развития (углубления) понора.

Обе пещеры отличаются сложным морфологическим строением, в том числе ярусностью. В каждой из них четко выделяются по три яруса, что отображают специфику регионального спелеогенеза в артезианских условиях (Буковинка), или этапный характер подземного врезания водотока (Пионерка). Высотный перепад между ярусами составляет соответственно 15 м (Буковинка) и 10-12 м (Пионерка).

Общей морфологической особенностью этих пещер является также то, что их привходовые части располагаются на 2-5 м ниже входных отверстий, образуя, таким образом, микроклиматические условия для накопления в них зимой холодного воздуха. Отличие же заключается в следующем. Несколько входов в п. Буковинка расположены таким образом, что способствуют интенсивному воздухообмену (сквозняки) с поверхностью и, соответственно, интенсивному выхолаживанию (в том числе промерзанию) значительной части привходовых залов и галерей в зимний период. Благодаря этой же причине, система, соответственно, быстро реагирует и на потепления (как сезонные и многодневные, так и суточные).

Входы же в п. Пионерку, хотя и располагаются на нескольких уровнях, но рядом и в одной вертикальной плоскости. К тому же нижний этаж, составляющий основную часть её объема, является типичным "холодным мешком". Он располагается на 5 м ниже входного отверстия и отличается, даже в летнее время, пониженной, сравнительно с верхними ярусами, температурой. К тому же в некоторые годы в этом "мешке" аккумулируются снежные наносы (в основном путем надува), объемом до нескольких кубометров. Это приводит к застою в пещере холодного воздуха и ослабленного её прогревания в весенне-летний сезон. Это обстоятельство способствует образованию в холодное время года подземных натечных льдов и их устойчивому сохранению (медленному таянию) весной. В пещере Пионерка зафиксированы случаи сохранения ледяных образований аж до июня.

Подземное оледенение описанных пещер имеет, таким образом, сезонный характер с растянутым, особенно в случае с пещерой Пионерка, периодом таяния ледяных образований. Главная причина устойчивого сохранения подземного льда – это морфология пещер, прежде всего, наличие нижележащих (по отношению к входу) полостей нижнего яруса.

С морфогенетической точки зрения, подземный лед пещер представлен сталактитами, драпировками, сталагмитами, сталагнатами, колоннами-ледопадами, покровами (натечные льды). В отдельные периоды на сводах пещер образуется пещерный иней (сублимационный лед).

Формы криоминеральных образований и их генезис

Непосредственные наблюдения в пещерах, проведенные в весенний период 2002 и 2003 гг., позволили установить: криоминеральное вещество, выступающее на поверхности ледяных образований, а также то, что остается после их таяния, характеризуется значительным агрегатным разнообразием. Относительно этого особенно показательна пещера Пионерка, отличающаяся продолжительным периодом таяния ледяных образований, а также цикличностью процессов замерзания-таяния (подтаивания) подземных льдов. Среди найденных и исследованных под микроскопом криоминеральных агрегатов можно выделить: гипсовый порошок, гипсовую муку, гипсовую пленку, гипсовое молочко и гипсовое тесто. Все упомянутые выше формы являются вариантно-переходными состояниями первичного криоминерального материала в зависимости от его количества (накопления), а также меры увлажнения. Их разделение носит условный характер и не подкрепляется строго теми или другими структурно-морфологическими и др. критериями, кроме визуальных отличий.

Гипсовый порошок – белое вещество, которое проступает на поверхности ледяного образования во время испарения и таяния льда. Сначала густота частиц на ледяной поверхности незначительна (едва заметна), но по мере таяния-испарения льда их количество непрерывно растет за счет "пополнения" из более глубоких слоев, постепенно вовлекаемых в термодеградационный процесс. Для выступлений гипсового порошка характерно сохранение визуальной обособленности частиц на поверхности льда. Последняя выглядит как бы "припудренной".

Гипсовая мука – тот самый гипсовый порошок на поверхности льда, но присутствующий в значительных количествах. Визуальная обособленность частиц при этом не сохраняется. С увеличением мощности слоя происходит гравитационное осыпание частиц и их накопление под ледяным образованием. (Мука – наиболее характерное криоминеральное образование подземных ледников, как, например, в Кунгурской пещере. Благодаря своему многолетнему характеру и непрерывному самообновлению, пещерные ледники действуют как непрерывные "фабрики" по "производству" гипсовой муки). Образование на поверхности льда гипсовой муки является следующей, после выступления порошка, стадией формирования криоминеральных агрегатов. Мука возникает при непрерывном пополнении материала за счет сублимации льда (как в случае многолетних подземных наледей), или при безвозвратной деградации ледяного образования (например, сталагмита), при которой накопление гипсового порошка осуществляется за счет уменьшения ледяной поверхности. Из-за утраты обособленности и смешивания (слипания) частиц в гипсовой муке возможны, особенно в скоплениях, процессы агрегации и, наверное, (при наличии влаги) перекристаллизации, с увеличением размеров кристаллических агрегатов (сростки кристаллов).

Гипсовая пленка – тончайшая белая пленка (просвечивается подобно папиросной бумаге), образованная слипшимися частицами гипсовой муки. Встречается на поверхности пола ходов (не на ледяных образованиях!) в виде удлиненных "бумажных обрывков" длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Агрегаты этого типа найдены в Пионерке – на верхнем ярусе привходовой части пещеры. Анализ ситуации показал, что пленочные фрагменты являются криоминеральным остатком, который "сполз на конус" (съехал) с небольших (диаметром до нескольких сантиметров) тающих ледяных сосулек, или остался после таяния сосулек, упавших на пол. Морфологическая агрегация частиц в пленочные образования может быть объяснена слипанием частиц возле сталактита по мере увеличения их количества при его деградации. Полусферический характер пленочных фрагментов показывает на то, что изначально криомучнистые агрегаты, которые обволакивали сталактит, имели трубчатую форму. Будучи чрезвычайно тонкими и хрупкими, они, падая на пол или оставаясь после таяния упавшего вниз сталактитового наконечника, распадались на характерные фрагменты.

Гипсовое молочко – молокоподобная разжиженная криоминеральная масса, являющаяся размокшею гипсовой мукой. Встречается исключительно на поверхности ледяных сталагмитов, которые дотаивают, на их "головах-бугорках". Образование молочка связано с прогрессирующим (в процессе таяния сталагмита) накоплением гипсовой муки на его поверхности и её размоканием под действием влаги. На заключительных этапах таяния сталагмитов мучнистого порошка становится много, а возрастающие температуры воздуха обусловливают выделение все большего количества влаги: рыхлый порошок как бы "тонет" в водяной пленке, частично растворяется в ней, образуя минеральное молочко.

Гипсовое тесто – белая пастообразная масса на поверхности сталагмитов, что уже почти растаяли или растаяли полностью. Является ничем иным как сгущенным гипсовым молочком. "Сгущение молочка" начинается в момент остановки таяния сталагмита (точнее – его исчезновения, прекращения) и начала обезвоживания сметанообразной массы. Гипсовое тесто – следующая за гипсовым молочком стадия преобразования криоминерального осадка, остающегося после таяния ледяных сталагмитов. Естественно, граница между молочком и тестом довольно условна. И все же стадиальным критерием их различия может служить момент прекращения нахождения влаги (причины фактора разжижения) и начала действия процессов выпаривания (фактора сгущения). Для дополнения картины криоминеральной эволюции сталагмитовых образований, отметим, что после стадии гипсового теста криоминеральная масса высыхает, преобразуясь в сухую, частично агрегированную массу.

К отдельному типу криоминеральных образований следует отнести повторно-вмерзшие в лед агрегаты. В зависимости от типа (см. выше) среди них можно выделить рекриогенные порошок, муку и др. Наиболее частым (из-за особенностей суточного и многодневного хода метеоэлементов) случаем является повторное замораживание гипсового порошка и гипсовой муки под пленкой воды. Это явление имеет место при резкой смене погодных условий (похолодание после оттепели).

Итак, указанные выше криоминеральные агрегаты, выявленные в буковинских пещерах, связаны с разными морфотипами сезонных подземных льдов, а также с особенностями их абляции. Большинство из них укладывается в термодеградационные ряды, то есть являются последовательными стадиями агрегации криоминерального материала на фоне таяния "материнского" ледяного субстрата. Примерами таких рядов в случае сталактитов являются: порошок – мука – пленка, в случае сталагмитов: порошок – мука – молочко – тесто. Конечно, перемены погоды и сезонные климатические циклы разрушают простые схемы вплоть до появления в них временно-возвратных (повторное вмораживание, высыхание) звеньев.

Минеральный состав и микроморфология криоагрегатов

Среди криоминеральных образований пещер Буковинка и Пионерка выявлен ряд минеральных разновидностей, имеющих автохтонное (криогенное) и аллохтонное (прежде всего, гравитационное и, возможно, аэрозольное) происхождение. Рассмотрим их для каждой пещеры отдельно.

Пещера Буковинка

Криогенный материал, собранный в пещере Буковинка, состоит из двух порций: желтоватого, существенно агрегатного порошка (проба 1), собранного в 2002 году Б. Ридушем, а также белого, чистого порошка, (проба 2, июнь 2003 года, В. Андрейчук), взятых с пола пещеры – мест расположения растаявших сталагмитов (рис. 1, а). Автохтонная часть второй, чистой, порции складывается, в большей массе, из небольших таблитчатых кристаллов гипса, слипающихся в микрокристаллическую массу (рис. 2, а). В отдельных случаях на фоне серой гипсовой массы удается различить ромбические кристаллы целестина (рис. 2, б). Кальцит встречается крайне редко.

Рис. 1. Локализация проб криоминерального материала, отобранного в пещерах Буковинка (А) и Пионерка (Б) (внемасштабно). А: 1 – пожелтевший порошок на месте растаявшей ледяной колонны, 2 – белый порошок на месте растаявшего сталагмита. Б: 1 – белый порошок, соскобленный с поверхности ледяного сталактита, 2,3 – фрагменты гипсовой пленки на полу пещеры, вероятно под растаявшими сталактитами, или в местах весеннего капежа, 4 – влажная порошковая масса на поверхности тающего сталагмита.

Рис. 2. Гипсовые кристаллы и агрегаты, образующие криоминеральную массу (гипсовую муку) проб из пещеры Буковинка. А - характерные таблитчатые кристаллы, Б – ромбический кристалл целестина (белый) среди кристаллов гипса, В – уплощенные кристаллы гипса, Г – двойниковый кристалл гипса – парiзький двойник, Д – расщепленный сферолитовый агрегат, Е – гипсокристаллический агрегат с «плоскодонною» поверхностью.

В массе желтоватого агрегатного порошка первой порции вместе с таблитчатыми кристаллами гипса появляются в большом числе уплощенные по (001) кристаллы (рис. 2, в). Вероятнее всего, кристаллы этого типа являются примесью, механически (при отборе пробы) занесенной в массу таблитчатых криогенных кристаллов с поверхности суглинка (для пещерных суглинков и глин подобные кристаллы типичны и составляют материал огипсовывания глинистой массы).

Уплощенные кристаллы гипса часто встречаются в виде двойников (рис. 2, г), а также расщепленных сферолитовых агрегатов (рис. 4, д). Последние, имея хорошо выраженную индукционную поверхность, указывают на формирование агрегатов в пленке на поверхности льда (рис. 2, е).

Вторая и, особенно первая, пробы из пещеры Буковинка отличаются значительным количеством примесей, имеющих, очевидно, аллохтонный характер. Добавление примесей и их отложение на поверхности сезонных льдов осуществляется двумя основными путями: гравитационным и воздушно-аэрозольным. Первый из них допускает попадание частиц на поверхность сезонных льдов со сводов пещеры, второй – привнесением разнообразного по составу материала с воздушными потоками в виде аэрозолей (2). Ледяные образования привходовых частей пещер вместе со стенами служат, таким образом, поверхностью, на которой оседают аэрозольные частицы.

В составе аллохтонных минеральных примесей выявляются достаточно разнообразные, в том числе необычные, минеральные виды. Так, рядом с типично глинистыми (рис. 3, д) обломками и частицами органики (рис.3, е), встречаются частицы рутила (рис. 3, б) и других тяжелых минералов. Очевидно, они происходят из перекрывающих пещеру глинистых пород косовской свиты и попали на поверхность пещерных отложений гравитационным или аэрозольным путем.

Среди аллохтонных примесей значительную часть (50% и больше) составляют частицы техногенного происхождения. Среди них резко перевешивают частицы существенно железистого состава (рис. 3, а). Найденная округлая частица, образованная октаэдрическими кристаллами герценита (рис. 3, в, г), скорее всего, является продуктом металлургических процессов, внесенным в пещеру вместе с другими частицами.

Рис. 3. Аллохтонные минеральные и органические частицы, встречающиеся в криоминеральной массе проб из пещеры Буковинка. А – частица гематита, Б – рутил, В – герценит в массе гипсовых кристаллов, Г - октаэдрический кристалл герценита, Д – глинистая частица, Е – органическая частица.

Пещера Пионерка

В пещере Пионерка (май 2003 года) отобрано 4 пробы криоминерального материала (рис. 3, б). Первая и четвертая пробы являются материалом разной степени увлажнения, собранным с поверхности ледяных натеков. Первая проба – порошок, соскобленный с влажной тающей поверхности ледяной колонны и сталактита. Четвертая проба – вещество, ближе всего подходящее к описанному ранее гипсовому молочку, собрана с поверхности подтаявшей ледяной колонны на выступе. Пробы 2 и 3 – фрагменты пленки – слипшегося порошка, покрывавшего, вероятно, поверхность растаявших ледяных сталактитов (рис. 4, в).

Криоминеральный "спектр" обследованных под микроскопом примеров существенно отличается как от материала, отобранного в пещере Буковинка, так и между собой. В первой пробе резко преобладает гипс, но достаточно много, в сравнении с криоминеральными образованиями других гипсовых пещер, кальцита (3-10%). Среди гипсовых кристаллов резко преобладают таблитчатые двойниковые кристаллы (рис. 4, а, г). Во многих случаях кристаллы образуют удлиненные сростки. Большинство кристаллов гипса имеет на своей поверхности разного рода углубления, возможно, следы от кристаллов льда, в массе которого они находились. Некоторые углубления достаточно значительны и напоминают футляры. Во многих случаях грани углублений закруглены, что, возможно, указывает на их "подрастворенность" во время вытаивания ледяных кристаллов. Некоторые углубления располагаются на гранях кристаллов нерегулярно, образуя своеобразную "пористость", и, возможно, связаны с процессами растворения, имевших место в пленке талой воды на поверхности ледяного натека (рис. 4, д). В массе кристаллов достаточно много расщепленных форм, образующих сферолитовые "цветы" (рис.4, а, б, д).

Рис. 4. Гипсокристаллические образования из мучнистого материала пробиз пещеры Пионерка. А – общий вид гипсокристаллической массы, Б – расщепленные (сферолитовые) агрегаты, В – сростки кристаллов с выраженной плоскостью прилегания к субстрату, Г – двойниковый кристалл, Д – радиально-лучистый пористый агрегат, Е – игольчатые кристаллы "гипсовых спичек".

Кальцит "обрастает" кристаллы гипса небольшими ромбоэдрическими кристаллами, достаточно однородными по виду и размеру (более мелкими, чем гипсовые). Кальцитовые зерна-кристаллы как бы "обсыпают" большие гипсовые кристаллы, но встречаются также и внутри гипсокристаллических сростков. Факт преобладающе наружной (на поверхности гипсовых кристаллов) локализации кальцита, возможно, указывает на то, что сначала кристаллизовался гипс, а потом кальцит.

Примесей в пробе мало, представлены они преимущественно глинистыми (гидрослюдистыми, спектитовыми) частицами таких же размеров, что и гипсовые кристаллы.

В пробе 4, отобранной из выступа на ледяной колонне, в которой, как и в пробе 1, первичным кристаллическим веществом является, вне сомнений, материал криохимического происхождения, также явно преобладают гипсовые кристаллы и гипсокристаллические агрегаты. Часто встречаются сдвоенные кристаллы, но сравнительно мало расщепленных форм. Кроме гипса обнаружены кристаллы целестина, стронциобарита, а также в достаточно большом количестве – кварца. Обнаружен фрагмент тридимитового сферолита. (Тридимит – высокотемпературная полиморфная модификация кварца). Происхождение кристаллических форм кремнезема в пробе неясно. Наиболее вероятно, что они являются аллохтонной примесью. Как и в первой пробе, много мелкого кальцита.

Большинство кристаллических агрегатов гипса четвертой пробы имеет "площадное" развитие, указывающее на пленочные условия (пленочную среду) формирования на поверхности "чего-то" (рис. 4, в). Последнее "что-то" может быть только поверхностью ледяного натека. Не понятно, является ли площадное развитие кристаллоагрегатов "реликтовым" от фазы замерзания и кристаллизации веществ из переохлажденного и перенасыщенного раствора, или "рецентным", что подразумевает кристаллизацию нового материала из пленочного (таяние) раствора в результате его выпаривания (что сопровождается привлечением к процессу кристаллизации первичного криоминерального материала, его частичной перекристаллизацией, а в целом – срастанием и агрегацией кристаллов разных генераций в пленочные агрегаты).

Морфологически (расщепление кристаллов, наличие сростков и др.) и минералогически (гипс, кальцит, целестин и др.) неоднородный характер описанных проб может указывать на то, что криоминеральные включения в сезонных льдах при весеннем таянии льдов оказываются снова в пленочных растворах на их поверхности и претерпевают определенные морфологические преобразования. Этот вопрос – про характер преобразований и взаимоотношения в весенних криоминеральных агрегатах "материнского", собственно криогенного (зимнего) и "вторичного" евапогенного (весеннего) материала - требует тщательного изучения, в том числе, экспериментального.

Вторая и третья пробы, являющиеся миниатюрными (до нескольких мм) фрагментами гипсовой пленки (см. описание агрегатов), собраны на полу верхнего яруса пещеры. По нашему мнению, это агрегатный материал, сползший со сталактитового конуса на своде пещеры.

В основной своей массе пленку образуют удлиненные игольчатые кристаллы гипса, напоминающие высыпавшиеся из коробки спички (рис. 4, Е). Обращает на себя внимание хаотичный характер расположения кристаллов по отношению друг к другу и отсутствие видимых структурно-генетических связей между "кристаллами-спичками" сростков, взаимного прорастания, двойниковости, ориентации общекристаллической массы и пр. При уменьшении масштаба видно, что "сено" образует тонкую пленку-покров: на это указывают трещины, по которым они распадаются на отдельные фрагменты. Происхождение кристаллических образований этого типа авторам неясно. Высокая плотность кристаллов в общей массе, их правильный характер, четко выраженная отдельность, отсутствие на их поверхности каких-либо деформаций или следов (углублений и пр.), однородный характер кристаллической массы, то есть, очевидная принадлежность кристаллической массы к одной генетической генерации, указывают на быстрое (одноактное) формирование кристаллов в условиях однородной среды (например, выпаривания водной пленки). Вероятнее всего, кристаллы этого типа являются эфемерными (весенними) образованиями, возникающими из тонких пленок минерализованной воды, капающей со сводов во время весеннего снеготаяния на поверхности. Свернутый (подкрученный) характер пленок может быть связан с их формированием в ямках-углублениях в местах капежа, или с дальнейшим (уже после образования) высыханием.

В отличие от предыдущих проб, в пробах 2 и 3 часто встречается целестин. Он, как и гипс, образует длиннопризматические кристаллы, реже – изометрические. В пробах много аллохтонных примесей (взяты с суглинистого пола пещеры), преимущественно глинистых и органических частиц. В пробе 3, как и в пробе 2 из пещеры Буковинка, найден Fe-Ni шарик, вероятно, космического происхождения.

Выводы

Проведенные предварительные исследования дают основания допустить, что для минеральных криогенных образований более южных пещер (расположенных в средней полосе зоны умеренного климата) с сезонным оледенением, характерно большее разнообразие минеральных агрегатов, чем для северных пещер (северная полоса зоны умеренного климата), или холодных пещер высокогорья с постоянным (многолетним) оледенением. Завершенный (замерзание-таяние) характер гляциологического цикла в пещерах с сезонным оледенением предусматривает наличие важного для процессов криоминералогенеза звена – таяния подземного льда, который вмещает криоминеральные включения. В процессе таянья льда имеет место не только механическое высвобождение криоминеральных включений, но и их изменения (частичное или полное растворение кристаллов, их обрастание, возникновение новых агрегатов), а также агрегация (создание сростков, пленок и пр.). Причиной, вызывающей процессы кристаллогенеза, является, в противовес замерзанию, процессы выпаривания влаги, которые вызывают насыщение раствора в пленках талой воды, которая покрывает ледяные образования. По этой причине, криоминеральные (возникшие как в фазе замерзания раствора, так и в фазе таянья льда) образования пещер с сезонным оледенением имеют полигенетический характер и отличаются большим морфологическим разнообразием, чем однофазные криоминеральные включения пещер-ледников.

Список литературы.

1. Андрейчук В. Тектонический фактор в развитии сульфатного карста Буковины (Подземный карст, развитие карста, устойчивость территории). – Свердловск: УрО АН СССР, 1988. – 50с.
2. Андрейчук В. Аэрозоли в воздухе пещер: происхождение, распределение, эффекты. // Свет. – 1999. - №1 (20). – С.10-12.
3. Андрейчук В., Галускин Е. Криогенные минеральные образования Кунгурской ледяной пещеры // Пещеры. – Пермь. – 2001. – Вып. 27-28. – С.108-116.
4. Дублянский В., Ломаев А. Карстовые пещеры Украины. К.: Наукова думка. – 1980. – 180с.
5. Ридуш Б., Бобылев А., Куприч П. Пещера Буковинка // Свет. – 1998. - №1 (20). – С.26-29.
6. Рiдуш Б., Купрiч П. Печери Чернiвецькоi областi. Чернiвцi: Прут, 2003. 68с.

Подземный мир един

Новые виды исследований