Природа щедро украсила пещеры Пинежья разнообразными ледяными образованиями, создав в них неповторимую зимнюю сказку (рис. 2.6.4). Эта особенность отразилась в ряде названий пещер, таких как Дворец Снежной королевы, Ледяная Волна, Зимняя Сказка, Бол. и Мал. Холодильники, Хрустальная, Ледяная. Сезонные льды образуются в большинстве пещер Пинежья, а во многих из них льды наблюдаются в течение длительного периода – с начала спелеологических исследований. В них встречаются ледяные образования, описанные в различных пещерах равнинного и горного карста и ряд особых форм льда, возникающих, по всей видимости, лишь в суровых условиях Севера. Это связано с особенностями климата территории и с отличительными чертами строения и гидрологии пещер. Льды встречаются не только в пещерах высоких широт. Они образуются в полостях различных частей света. Распространение пещер-ледников определяется как широтной поясностью, так и высотной зональностью. Для равнинных территорий граница распространения льдов в пещерах совпадает с широтой 50°, а в Сибири гораздо южнее – на широте оз. Байкал, что может быть связано с распространением многолетней мерзлоты. В горах Западной и Южной Европы, обеих Америк и даже Африки льды в пещерах наблюдаются на высотах более 2000 метров.

Рис. 2.6.1. Схема циркуляции воздуха в пещере в зимний (а) и летний (б) периоды.

Рис. 2.6.2. Схема температурных зон и развития ледяных образований в пещере Голубинская-1.

Рис. 2.6.3. Распределение ледяных образований в пещерах.

Рис. 2.6.4. Ледяное убранство пещер превращает их в сказочные дворцы. Пещера Музейная, зал Атлантида.

Фото Ю.И. Николаева

Лед является минералом с твердостью 1,5, плотностью при 0°С 0,9168 г/см³ и температурой плавления 0°С при давлении 1 атмосфера. Лед встречается в пещерах в форме кристаллов – призматических, пластинчатых, игольчатых, звездчатых и скелетных; агрегатов – дендритов, снега и фирна, а также в виде натечных форм –сталактитов, сталагмитов и наледей различных типов. Лед слагает мономинеральную горную породу того же названия (Геологический словарь, 1978).

Причины развития льда в пещерах

Образование подземных льдов в пещерах Пинежья связано с особенностями климата территории и микроклимата пещер: низкими среднегодовыми температурами воздуха на поверхности (0,2°С) и в полостях (в среднем от 0 до 2-3°С в различных зонах пещер). В пещерах протяженностью более 150-200 метров, выделяются зона сезонных колебаний температур с годичной амплитудой до 40°С, где и происходит основная концентрация ледяных отложений, а также буферная (переходная) зона и зона стабильных температур, составляющих обычно 2-3°С.

Важным фактором образования льда является присутствие в пещерах воды в различных фазах. В жидкой фазе – инфильтрационные воды, просачивающиеся через массив горных пород, или инфлюационные воды, втекающие в пещеру в виде постоянных ручьев и рек. В твердой фазе вода присутствует в виде снега, падающего, оползающего или задуваемого ветром в пещерные входы и зияющие трещины и длительное время сохраняющегося там в виде фирна (перекристаллизованного снега). Значительна роль воды, содержащейся в парообразной фазе в атмосферном воздухе, поскольку для большинства северных пещер характерны колебания относительной влажности воздуха от 85 до 100%.

В образовании и сохранении пещерных льдов значительную роль играют аэродинамические свойства пещер: наличие воздушных потоков, их направление и скорость движения. Скорости воздушных потоков, обычно, незначительные, от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду. Только при небольшом входном отверстии или в узких пережимах возможно резкое увеличение скорости движения воздуха до первых метров в секунду. Большинство пещер имеет только один вход, но высокая трещиноватость карстующихся пород и развитие органных труб, связанных с поверхностью, создают условия для движения воздушных потоков. В зимний период холодный воздух, как правило, поступает в пещеры со стороны входов и через трещины и органные трубы. В летний период холодный воздух пещер препятствует проникновению тепла с поверхности, образуя устойчивый температурный барьер. Другим вариантом развития летней циркуляции воздуха является его поступление по трещинам и выход холодной массы воздуха через вход, как правило, узкий, (рис 2.6.1). Вентилирующая роль трещин и колодцев и устойчиво нисходящая воздушная тяга последних в зимний период отмечены для пещер Пинежья также В.М. Голодом и М.П. Голод (1974 и 1983).

Основные формы льда в пещерах Пинежья

По характеру питания выделяются сублимационные (атмогенные) льды, которые образуются при кристаллизации непосредственно из атмосферного воздуха и формируют кристаллы, друзы (сростки), сублимационные коры. Следующий вид – конжеляционные льды, представляющие собой наиболее распространенный, очень разнообразный по своим проявлениям тип льда Пинежских пещер. К ним относятся все льды, образуемые водами зон горизонтальной и вертикальной нисходящей циркуляции. Присутствуют также метаморфические льды, образующиеся при участии снега и льда двух выше названных типов.

Рис. 2.6.5. Сегрегационные кристаллы льда в рыхлом заполнителе.

Фото В.А. Мальцева

Рис. 2.6.6. Пластинчатые ледяные кристаллы.		Рис. 2.6.7. Листовидные ледяные кристаллы.
Фото Ю.И. Николаева		Фото Ю.И. Николаева

Типичными формами льда северных пещер являются ледяные кристаллы, ледяные коры, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, а также покровные льды, подземные наледи, ледники и жильные ледяные тела. Своеобразные формы – ледяные пробки (наледи), которые развиваются на постоянных подземных ручьях, ледяные экраны (вертикальные наледи) в зоне фронтального разбрызгивания водопадов и капельных источников (рис 2.6.3). Кроме того, типичны для северной зоны конституционные льды, проявляющиеся в рыхлых отложениях пещер: льды-цементы, сегрегационные кристаллы, образующие полигональные формы – вертикальные шлиры в переувлажненном заполнителе, а при выдавливании из него – инъекционные формы кристаллов (рис. 2.6.5). Конституционные льды относятся к наименее изученному типу льда.

Ледяные кристаллы, как правило, имеют атмогенное происхождение и образуются на сводах, стенах и отложениях пещер. Кристаллы льда разнообразны по форме, которая зависит, по исследованиям Е.П. Дорофеева (1969), от температуры воздуха в момент их образования: от 0,5 до -2°С – листовидные (рис. 2.6.7); от -2 до -5°С – пирамидальные (рис. 2.6.25); от -5 до -7°С – прямоугольно-пластинчатые (рис. 2.6.6); от -10 до -15°С – игольчатые (рис. 2.6.8), а при -18 до -20°С – папоротниковидные.

Рис. 2.6.8. Игольчато-пластинчатые ледяные кристаллы.		Рис. 2.6.12. Сталактиты и сталагмиты в пещерном интерьере.
Фото Ю.И. Николаева		Фото В. Лазарева

Рис. 2.6.9. Друза ледяных кристаллов.		Рис. 2.6.10. Ледяная кора на ветке, вмерзшей в наледь на полу пещеры.
Фото Ю.И. Николаева		Фото Е.И. Гуркало

Рис. 2.6.11. Занавес из соединившихся сталактитов в пещере Визборовская.

Фото Е.И. Гуркало

Растут ледяные кристаллы и на других ледяных образованиях – чаще всего на сталактитах и сталагмитах (рис. 2.6.26), а также на нижней плоскости висячего льда, где они отличаются более высокой первичной минерализацией.

В большинстве пещер рост ледяных кристаллов происходит в течение всего года, основные периоды: предзимний, предвесенний и послепаводковый. Размеры отдельных кристаллов от первых миллиметров до 5-15 сантиметров. Кристаллы могут соединяться в друзы (сростки) длиной до 50-100 см (рис. 2.6.9).

Интересными формами кристаллов льда являются тонкие и эфемерные, напоминающие снег сростки, колышущиеся при движении воздуха. Они возникают в период оттепелей на входах в пещеры. Другим видом примечательных атмогенных льдов являются ледяные коры (рис. 2.6.10), развивающиеся избирательно на доломите, и ледяные кристаллы-дендриты, ветвящиеся на сводах пещер.

Сезонные ледяные кристаллы имеют низкую минерализацию 0,02-0,08 г/л, многолетние – 0,2-0,5 г/л, состав, соответственно, гидрокарбонатно- и сульфатно-кальциевый.

Ледяные кристаллы-перелетки длительное время сохраняются в нишах и тупиках, где воздушные потоки отсутствуют. При таянии они оплавляются, образуя пористые коры, которые могут пластично деформироваться, отрываясь от сводов и стен. Осыпаясь на пол, ледяные кристаллы входят в состав метаморфических льдов.

Сталактиты и сталагмиты образуются так же, как и их каменные аналоги, при действии капельных источников зоны вертикального просачивания воды, только значительно быстрее. При большей скорости поступления воды образуется сталагмит, при ее замедлении – сталактит (рис. 2.6.12), причем по сечению пещеры их одновременное развитие может происходить на различной высоте и в различных сочетаниях форм. Длина сталактитов может достигать 2-2,5 метров, причем это не препятствует росту сталагмитов в непосредственной близости либо прямо под сталактитом. Ледяные колонны (сталагнаты) образуются при срастании сталактита и сталагмита, либо при росте сталактита до пола пещеры (рис. 2.6.11) и могут достигать объема в первые десятки м³. При сохранении питания, развитие льда может происходить в течение всего зимнего периода, оно прекращается лишь в случае полного промерзания трещин в своде. Крупные залы превращаются в пышно украшенные подземные палаты, в которых обитают причудливые ледяные персонажи (рис. 2.6.15).

Рис. 2.6.13. Вертикальная наледь-экран перед водопадом на входе в пещеру Северный Сифон.

Фото А.М. Рыкова

Минерализация натечного льда сульфатно-кальциевая, от 1,1-1,5 до 2-2,4 г/л. При прекращении питания и действии воздушных потоков происходит испарение (сухая возгонка) льда (рис. 2.6.16), и на поверхности сталактитов и сталагмитов образуется гипсовая мука (рис. 2.6.17), практически состоящая из сульфата кальция.

Большинство ледяных образований этого типа являются сезонными, многолетние формы, чаще в виде ледяных колонн, встречаются значительно реже. В пещере Юбилейная колонны-перелетки наблюдались в течение 5 лет и растаяли после обвала прохода и последовавшего изменения циркуляции воздуха.

Покровные льды формируются при замерзании воды на поверхности озер и подпрудных водоемов, образующихся во время сезонных, или подпорных (чаще осенних) паводков на подземных ручьях. В случае резкого снижения уровня воды образуются висячие пласты льда (ледяные мосты) на высоте 0,5-1,5 до 2,5 м выше меженного уровня ручья или пещерного пола, если водоток временный (рис. 2.6.18, 2.6.20). Снижения уровня воды в озерах фиксируются серией ледяных закраин, при этом на поверхности покровного льда могут развиваться торосы (Шаврина, 1990). Максимальная толщина льда этого типа достигала 1 метра. При подпруживании транзитного потока в пещере Голубинская-1 наблюдалось образование ажурных ледяных покровов значительной протяженности. В начале замерзания стоячих водоемов на поверхности воды наблюдаются своеобразные формы льда – плавающие звездчатые кристаллы льда или дендритообразные пластинчатые кристаллы.

Минерализация льда озера в пещере Большая Голубинская в результате распреснения существенно отличается от исходной минерализации воды замерзшего водоема, снижается на 1-2 порядка и составляет 0,07-0,35 г/л, происходит переход от сульфатно-кальциевого состава к гидрокарбонатно-кальциевому. Установлено существование отчетливо двухслойного паводкового льда с минерализацией верхнего слоя 0,12 г/л и нижнего 0,84 г/л.

Наледи являются наиболее распространенными и разнообразными по строению и размерам видами пещерного льда на Пинежье. Они развиваются при питании инфильтрационными или инфлюационными водами. Наледи образуют ледяные потоки на наклонных входах в пещеры, потоки и коры на полу или стенах пещер. При стекании воды с уступов возникают эффектные висячие наледи - занавесы и драпировки, напоминающие застывшие водопады (рис. 2.6.19). Интересной разновидностью вертикальных наледей являются ледяные экраны, формирующиеся в зоне фронтального разбрызгивания водопадов и капельных источников (рис. 2.6.13). Высота ледяных экранов соответствует размером водопада или водокапа, варьируя от 1-1,5 до 10-15 м. Отмечен случай образования наледи на поверхности покровного льда озера, при фонтанировании воды из пробуренной в нем скважины.

Рис. 2.6.14. Многолетняя наледь (ледяная жила) в прибортовой зоне пещеры Юбилейная.

Фото Ю.И. Николаева

Льды наледей часто образуют перелетковые и многолетние образования значительные по размерам. Многолетние наледи существуют, как правило, в привходовых зонах пещер. Они широко развиты в бассейне р. Чуги в пещерах: Уникальная, Банкетный Зал (рис. 2.6.23), Провидения, Революция и ряде др., где их развитие может быть связано с реликтами мерзлоты. Размеры составляют до 20-35 х 10-15 м в плане при толщине до 1,5-3 м.

Наледи сложного строения, обычно называемые ледниками (ледниковообразные наледи), в пещерах Пинежья, как правило, имеют небольшие размеры и развиваются в привходовых и прибортовых зонах пещер на участках наклонного коренного ложа, что обеспечивает смещение ледяных масс при пластическом течении, либо с деформацией льда. Ледники пещер обладают и таким важным "ледниковым" свойством, как образование моренных включений за счет гравитационных отложений, вмерзающих в лед, а так же наносов песчано-глинистого материала. На входах в пещеры они образуются путем метаморфизма снега, попадающего в пещеру при участии инфлюационных вод, либо при поступлении талых и дождевых вод с прибортовой зоны пещеры, как например ледник в пещере Ледяная Волна (рис. 2.6.22). Прирост ледника происходит, преимущественно, в весенне-летний период, в прочее время наблюдается таяние и испарение льда, передислокация ледникового тела. Минерализация льда ледников – сульфатно-кальциевая, величина ее составляет 1,1-1,6 г/л. Протяженность ледников достигает первых десятков метров.

Рис. 2.6.15. Причудливая пластическая деформация ледяного сталагмита.		Рис. 2.6.17. Слой гипсовой муки образуется на поверхности ледяных форм при испарении сильно минерализованного льда.
Фото Ю.И. Николаева		Фото И. Афанасьевой

Рис. 2.6.16. Выветривание сталагмитов - такие фигуры называют "кающимися".

Фото В. Воропаева

Рис. 2.6.18. Висячий ледяной покров - "ледяной мост" образуется после снижения уровня воды.

Фото Ю.И. Николаева

Рис. 2.6.19. Наледь, образованная инфильтрационными водами в пещере Большая Голубинская. Справа ледяная колонна - сталагнат.		Рис. 2.6.20. Ледяной покров на ручье в пещере Голубинский провал.
Фото В. Воропаева		Фото В. Воропаева

Рис. 2.6.21. Пластическая деформация ледяных кристаллов.

Фото Ю.И. Николаева

Жильные ледяные тела пещер по типу образования также относятся к наледному льду. Они развиваются в трещиноватых и глыбово-обвальных прибортовых зонах пещер, особенно тех, что развиты вдоль прибортовой зоны массива (Малков, 1983). Промороженные прибортовые глыбово-блоковые зоны имеются у пещер Сотка-3, Юбилейная (рис. 2.6.14), Конституционная, Святая, Голубинский Провал, Малая Голубинская и многих других.

Ледяные жилы формируются, как правило, как повторно-жильные пластовые образования полостей. Их строение подтверждает гипотезу фронтального роста с приращением по верхнему контакту за счет намерзания конжеляционного льда в горизонтальной плоскости (Попов, 1967). Лед отличается слоистостью, высоким уровнем метаморфизма, как правило, непрозрачный, с включением воздушных пузырьков. Горизонтальные прослойки песчано-глинистого состава в ряде случаев сохранившихся фрагментов ледяных жил свидетельствуют о многолетнем характере развития. Возраст подобных ледяных жил в пещерах Олимпийской и Юбилейной (Сотка-26), определенный радиоуглеродным методом по древесным включениям превышает 200 лет. Вскрытие происходит паводковыми потоками с дальнейшей обработкой вертикальной поверхности вскрытого льда аэродинамическими потоками. Таяние ледяных жил и пластов прибортовых зон ведет к интенсивным обрушениям в этих зонах. Ледяные жилы перекрываются свежим обломочным материалом (рис. 2.6.24).

К этому типу льда относятся и молодые образования – однолетние или перелетковые ледяные пробки на ручьях, выполняющие узкие ходы и пережимы. Они возникают либо при развитии наледи на малодебитных ручьях, либо при срастании сталагнатов в пережимах. Протяженность ледяных пробок составляет 20-25 м.

Минерализация наледей меняется от 0,15-0,5 (свежий прозрачный лед) до 1,5-1,8 (старый, перекристаллизованный лед) г/л, состав сульфатно-кальциевый. Вероятно, это связано с поглощением минеральных веществ из текущих по льду вод.

Образование и разрушение льда в пещерах

Наиболее значительные объемы многолетних льдов и перелетков образуются в привходовых участках пещер, в зонах отрицательных температур, имеющих максимальную протяженность до 100-200 метров. В более удаленных частях полостей, где преобладают близкие к 0°С, но положительные температуры воздуха, развитие ледяных образований фрагментарно и связано с локальными подтоками холодного воздуха и воды в трещиноватой прибортовой зоне.

Рис. 2.6.22. Движущийся по наклонной плоскости участок наледи (ледника) в пещере Ледяная Волна.		Рис. 2.6.24. Ледяная жила в пещере Высоцкого.
Фото Е.И. Гуркало		Фото И. Афанасьевой

Рис. 2.6.23. Слоистая многолетняя наледь в пещере Банкетный Зал. Видны прослойки гипсовой муки и обломочного материала, упавшего со свода пещеры.

Фото Е.И. Гуркало

Рис. 2.6.25. Пирамидальные ледяные кристаллы.

Фото Е.И. Гуркало

Развитие сезонного льда происходит в три цикла. Предзимний цикл связан с развитием ледяных кристаллов, разнообразных натечных образований: сталактитов, сталагмитов и сталагнатов, наледей, ледяных кор, а также покровов на озерах и ручьях. В это время образуются ледяные пробки на входах или в узких пережимах пещер, происходящее либо при развитии наледи на малодебитных ручьях, либо при срастании сталагнатов в пережимах. С ледяными пробками на ручьях связаны подпорные зимние паводки, в результате которых развиваются наледи или висячие льды значительной протяженности. Зимой происходит дальнейший рост льда там, где сохраняется достаточное питание. Предвесенний цикл роста льда связан с поступлением в пещеры влажного воздуха во время оттепелей, когда образуются крупные беспорядочно ориентированные кристаллы. Летний послепаводковый цикл, преимущественно проявляется в развитии конституционных льдов при 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 преобладают метаморфические явления, прежде всего – таяние и испарение льда.

По данным многолетних наблюдений, разрушение подземных льдов связано с механическим и температурным действием водных (чаще паводковых) и воздушных потоков. Водой уничтожаются все ледяные образования, находящиеся в зоне паводкового затопления пещер. В годы высокого подъема воды наблюдалось таяние ледника на входе в пещеру Голубинский Провал до основания лестницы (рис. 2.6.27а-2.6.27б). Перепад между паводковым и меженным уровнем воды часто фиксируется по висячим льдам, сохранившимся выше уровня подъема воды. Ледяные пробки, например, на входе в пещеры Пехоровская и Высоцкого, также полностью или частично вскрываются во время весеннего паводка.

Рис. 2.6.26. Рост игольчатых кристаллов льда на сталактитах.

Фото Ю.И. Николаева

Рис. 2.6.27. Висячая наледь (ледник) на входе в пещеру Голубинский Провал а) при максимальном развитии льда; б) при разрушении талыми водами или обвалом пород.

Фото Н.А. Франца и Е.В. Шавриной

Ледяные образования являются великолепным украшением подземных дворцов, поражают воображение своей красотой и разнообразием. Пещерные льды, помимо их эстетической ценности, являются индикаторами состояния подземной среды, особенностей ее микроклимата и гидродинамики. Велика роль льда пещер в повышении устойчивости гипсовых пород, что особенно важно для зон прибортового дробления пород карстовых логов и речных долин. Льды-цементы, наледи и ледяные жилы в условиях сильно трещиноватых пород значительно продлевают время существования пещер. С таянием многолетних подземных льдов связаны обвальные явления на поверхности карстового массива и в самих пещерах, вскрытие или обрушение пещерных входов и каналов.

Пещеры со значительным скоплением льда в привходовых частях издавна использовались местными жителями как естественные ледники. На входе в одну из кулогорских пещер (К-2) до сих пор сохранилась деревянная опалубка, предназначенная для хранения продуктов.

Вторичные образования пещер

Обитатели пещер