Снег и лед в пещерах (оледенение пещер)

Изучению снега и льда в пещерах посвящено множество опубликованных работ (смотри список литературы). Снег и лед в пещерах не являются отложениями пещер в общепринятом понимании. Они не просто накапливаются в некоторых полостях и их частях, а их накопление и сохранение является обусловленным климатом пещер. Поэтому процессы, связанные с накоплением и эволюцией снежно-ледяных образований (СЛО) в пещерах, как и сами СЛО мы относим к оледенению пещер. Оледенение пещер возможно в тех полостях, где возникают отрицательные температурные аномалии, в которых средняя годовая температура воздуха и горных пород опускается до отрицательных значений (см. статью «Климат пещер»). В принципе, лед может возникать во всех пещерах, в которых на какое-то время устанавливаются отрицательные температуры воздуха и горных пород. Можно выделить два основных типа пещер, подверженных постоянному и сезонному оледенению: 1) это пещеры со входами на разных высотных уровнях, для которых характерна печная тяга воздуха и у которых отрицательная температурная аномалия расположена у нижнего входа; 2) наклонные нисходящие пещеры, которые вентилируются в зимнее время, а летом воздух у них застаивается, а отрицательная температурная аномалия в них располагается на склоне (Рис. 1).

Рис. 1. Основные формы полостей, благоприятные для оледенения. А – горизонтальные пещеры со входами на разных высотных уровнях, Б – наклонные нисходящие пещеры (холодные мешки), В – вертикальные полости (карстовые колодцы); 1 – направление движения воздуха в полостях летом, 2 – тоже зимой, 3 – скопления снега и льда (Мавлюдов, 2008).

Для первых пещер характерны в основном льды конжеляционные (возникшие при замерзании воды) и сублимационные (возникшие из водяного пара). Для наклонных нисходящих пещер характерно накопление льдов осадочных и метаморфических (возникают из наметаемого во вход снега и талой воды, попадающей в снег или в нем возникающей), конжеляционных и сублимационных. Крайним случаем наклонных нисходящих пещер, являются колодцы (в них наклон канала равен 90°), в которых накапливается снег, который попадает с поверхности (выпадающий и наметаемый снег). В колодцах отрицательная средняя годовая температура воздуха может поддерживаться не только за счет зимнего охлаждения полости, но и за счет больших скоплений снега и льда, чему способствует наметание в них снега зимой. При этом коэффициент концентрации снега в колодцах может достигать 20 (Дмитриев, 1980), то есть толщина снега в колодцах может быть в 20 раз больше, чем на поверхности рядом со входом в колодец. Распределение температур в этих типах пещер можно видеть на Рис. 2.

Рис. 2. Распределение температуры воздуха в каналах пещер (заштрихованная часть – амплитуды колебания температур по протяжению пещер): I – горизонтальные пещеры со входами на разных уровнях; II – наклонные нисходящие пещеры; III – колодцы. t – температура воздуха в канале пещеры (+ - положительная, – - отрицательная), t_м – температура массива горных пород, l – протяженность полости, а – полости малой протяженности, б – полости большой протяженности (Мавлюдов, 2008).

Чтобы в пещерах возникла отрицательная температурная аномалия и, соответственно, отрицательные средние годовые температуры, вне пещеры должна на какое-то время устанавливаться морозная погода. И холода в пещеру должно быть занесено такое количество, чтобы преодолеть тепловую инерцию теплых вмещающих горных пород. Температура горных пород внутри пещеры почти всегда выше среднегодовой температуры на поверхности (См. статью «Климат пещер»). Из этого следует, что для постоянного оледенения благоприятны те полости названной морфологии, в которых температура массива не очень высока, а сами пещеры расположены в районах, где зимы холодные.

Рассмотрим для примера распределение средних годовых температур воздуха по длине Кунурской ледяной пещеры (Таблица 1). Как видим, в ней существуют зона устойчивых отрицательных средних годовых температур воздуха в течение года. Длина зоны отрицательной температурной аномалии в Кунгурской пещере составила в 1984 г. около 200 м. При этом граница постоянного оледенения проходит по изотерме +0,2°С, а сезонного оледенения по изотерме около +1,0°С. Аналогичная картина распределения температуры воздуха отмечается и в других пещерах, подверженных оледенению.

Таблица 1
Распределение температур воздуха в Кунгурской пещере (Урал) в 1984 г. (Данные Кунгурского стационара Горного института УрО РАН)

Место наблюдений	Расстояние от входа, м	Σ Τ, сут °С	Σ Т мес °С ,	Т янв, °С	Т год, °С
Вне пещеры	0	319	9,5	-11,2	0,78
Грот Бриллиантовый	50	-1073	-35,4	-4,8	-2,9
Грот Данте	130	-512	-16,9	-2,0	-1,4
Грот Крестовый	210	53	2,1	-0,3	0,2
Грот Руины	330	858	28,3	2,0	2,4

Некоторое приближенное представление о характере взаимодействия внешнего и пещерного температурных полей можно составить на основании анализа соотношения средних минимальных зимних температур воздуха вне пещер и температуры массива горных пород, в котором заложена пещера. Это можно сделать по предложенному нами температурному индексу оледенения пещер (Мавлюдов, 1985), который получен при анализе данных существующих ситуаций в пещерах, подверженных оледенению, и модельных расчетов. Индекс оледенения равен:

К = - Т_ян/(Т_м - Т_ян)                                            (1),

где К - температурный индекс оледенения пещер; Т_ян – средняя температура воздуха самого холодного месяца года (в северном полушарии чаще всего января), Т_м - температура массива пород, вмещающего полость, которая равна Т_м = Т₀ + а, где Т₀ - средняя годовая температура воздуха той местности, где находится полость, а - добавочный член, величина которого для разных частей бывшего СССР меняется от 2 до 6°С (Фролов, 1976); нами для упрощения принята средняя величина а = 3°С (Мавлюдов, 1985). Таким способом мы можем избавиться в формуле от температуры массива, которая во многих случаях неизвестна. После замены формула примет следующий вид:

К = - Т_ян/(Т_ср.год +3 - Т_ян)                                  (2).

Таким образом, индекс оледенения пещер К предоставляет собой коэффициент, показывающий степень возможного охлаждения массива пород за счет зимних температур воздуха: чем выше значение К, тем большая степень охлаждения полостей возможна. Оледенение пещер (и искусственных полостей) может быть развито в тех районах, где К принимает значения от 0 до 1 и более. Индекс оледенения пещер К принимает значение 1 на границе распространения многолетне мерзлых пород (то есть при Т_м = 0), а нулевое – на нулевой изотерме средней январской температуры воздуха. Анализ имеющихся материалов по пещерам со СЛО показывает, что на территориях, где К принимает значения: от 0 до 0,25 развито только сезонное оледенение пещер, от 0,25 до 1,0 – также и постоянное оледенение отдельных пещер, более 1 – постоянное оледенение большинства пещер.

Примерно 10% всех карстовых полостей, известных в бывшем СССР, подвержены постоянному оледенению (в отдельных районах страны их количество достигает 50% вне области многолетне мерзлых пород, например, в верхней зоне Бзыбского карстового массива в Абхазии (Дмитриев, Чуйков, 1982)). Кратковременное и сезонное оледенение охватывают практически все полости в пределах территорий, где бывают отрицательные температуры воздуха.

Оледенение пещер развито там, где есть отрицательные температуры воздуха. Южная граница сезонного оледенения пещер может быть проведена по нулевой изотерме средней январской температуры воздуха, то есть оледенение пещер возможно почти на всей территории бывшего СССР. При этом значение индекса оледенения пещер К равно нулю. Северная граница сезонного оледенения в пещерах может быть проведена по нулевой изотерме средней месячной температуры самого теплого месяца (для северного полушария – июля). Практически таких условий на территории бывшего СССР нет. Аналогично могут быть проведены границы сезонного оледенения пещер в горах. Например, для Кавказа граница сезонного оледенения пещер может быть проведена: на южном склоне на абсолютной высоте 500 м; на северном – по подножию хребта (около 100 м). Верхний предел сезонного оледенения пещер на Кавказе может быть ограничен высотой около 4000 м.

Южная граница распространения постоянного оледенения пещер различна для полостей разных типов. В равнинной части России эта граница проводится: для горизонтальных пещер при К=0,7; для наклонных нисходящих пещер при К=0,25; для вертикальных пещер при К=0,3. Эти границы отражают климатические возможности оледенения пещер, но реальное оледенение пещер реализуется несколько по-другому. Так, граница постоянного оледенения наклонных нисходящих пещер в горах может быть проведена при К=0,25, а на равнине ее следовало бы провести при К=0,5, что связано с отсутствием орографических возможностей оледенения пещер на равнине, поскольку уже при К=0,5 минимальная глубина залегания льда в пещерах равна 25 м, а с уменьшением К эта величина растет, что в равнинных пещерах в действительности реализовано быть не может (для естественных полостей). Определение границ постоянного оледенения вертикальных полостей имеет свой смысл только для горных территорий, где эти полости имеются.

В соответствии с индексом оледенения пещер К можно оценить температурные интервалы благоприятные для оледенения пещер. В таблице 2 показаны максимальные значения средней январской температуры воздуха вне пещер (при заданной средней годовой температуре воздуха), при которых еще возможно оледенение пещер.

Таблица 2
Предельно высокие температуры воздуха в январе (°С), при которых возможно оледенение пещер (Мавлюдов, 2008)

	Средняя годовая температура воздуха местности	-2.0	-1.0	0.0	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	6.0	7.0	8.0
типы пещер	горизонтальная	-2.3	-4.7	-7.0	-9.7	-11.7	-14.0	-16.3	-18.7
	наклонная			-1.0	-1.3	-1.7	-2.2	-2.7	-3.0	-3.3	-3.7	-4.0
	вертикальная			-1.3	-1.7	-2.1	-2.6	-3.0	-3.4	-3.9	-4.3	-4.7

Таким образом, для горизонтальных пещер, исходя из климата равнинной части России, пределом распространения оледенения в полостях является изотерма средней годовой температуры воздуха вне пещер около +4.0°С. Для наклонных нисходящих пещер таким пределом является изотерма +10.0°С. В резко континентальном климате, таком как в Восточном Казахстане, пределом распространения пещер со льдом будет изотерма +12.0°С. Для вертикальных полостей температура воздуха вне пещер не является определяющей, но, по имеющимся данным, она видимо не превышает +6.0°С (хотя, вероятно, возможны локальные исключения).

На основе вышеизложенного, а также, используя данные по температурам воздуха, взятым из Справочников по климату СССР (Справочник…, 1966-1972), была построена карта "Оледенение пещер бывшего СССР" (Мавлюдов, 1997), на которую вынесены: оледенение всех пещер, постоянного оледенения части пещер, сезонного оледенения пещер (Рис. 3).

Рис. 3. Карта оледенения пещер на территории бывшего СССР (Мавлюдов, 1997). 1 - карстующиеся породы; границы распространения многолетне мерзлых пород: 2 - сплошного; 3 - островного и прерывистого; 4 - изолинии индекса оледенения пещер и их значения; 5 - номер зоны оледенения пещер (V - всех, IV - большинства, III - отдельных, II-III - сезонное оледенение пещер, I - оледенение пещер отсутствует); 6 - разница (a) среднегодовой температуры местности и «нейтральной зоны» пещер.

Среди СЛО пещер различают: 1) конжеляционные льды: наледи (покровные наледи встречаются на склонах и полах галерей и залов пещер, сталагмиты, висячие наледи – сталактиты, гребешки, геликтиты), лед водоемов, 2) сублимационные льды: изморозь и 3) осадочно-метаморфические льды: снег и лед, образовавшийся из снега. Иногда осадочные льды могут возникать из изморози, осыпавшейся со свода на пол пещеры (как, например, в Кунгурской пещере).

Лед в пещерах может быть эфемерным (существует несколько дней или десятков дней), сезонным (существует кроме зимних еще несколько летних месяцев) и постоянным – многолетним (сохраняется в пещерах круглый год).

В каждой пещере с постоянным оледенением можно выделить несколько зон: зона многолетних льдов и зона сезонных льдов. В пещерах со входами на разных высотах и наклонных нисходящих пещерах зона постоянного оледенения с двух сторон оконтуривается зонами сезонного оледенения. При этом у входа в пещеры со входами на разных высотах зона сезонного оледенения невелика по протяжению и ее длина зависит от разницы между среднегодовой температурой местности и средней температурой массива пород. Именно благодаря этой разнице весной в нижний вход затягивается теплый воздух. Чем эта разница выше, тем больше протяженность привходовой зоны сезонного оледенения. Наибольшей по протяжению является зона сезонного оледенения внутри пещер со входами на разных высотах. Это связано с продолжительным воздействием на эту зону (в течение всего летнего периода) теплого воздуха, приходящего из нейтральной зоны полости. В наклонных нисходящих пещерах часто привходовая зона сезонного оледенения несколько больше аналогичной зоны в дальней части пещеры, что связано с влиянием внешнего климата. Протяженность зоны постоянного оледенения в пещерах зависит от их морфологии (важны размеры и протяженность ходов, наличие залов, разница высот между входами для пещер со входами на разных высотах и разница высот входа и нижней части пещеры для наклонных нисходящих пещер). Поэтому протяженность зоны оледенения сильно меняется от полости к полости. Максимальная протяженность зоны постоянного оледенения известна в пещере со входами на разных высотах – Айсризенвельд в Австрии, где она превышает 1000 м.

Раз оледенение пещер климатически обусловлено, то оно зависит от изменений климата вне пещеры. При потеплении климата протяженность зоны оледенения в пещерах уменьшается, а при похолоданиях – увеличивается. Таким образом, протяженность зоны оледенения в пещерах и ее динамики являются хорошим индикатором изменения местного климата. В некоторой степени люди научились искусственно регулировать протяженность зоны оледенения в некоторых пещерах (обычно это происходит в экскурсионных пещерах со входами на разных высотах, поскольку СЛО в пещерах являются очень зрелищными и потому должны сохраняться как можно дольше). При этом на нижнем входе в пещеру устанавливаются двери, которые могут закрываться герметично. Зимой двери держат открытыми, не нарушая естественной зимней вентиляции (зарядка пещеры холодом), а летом двери закрывают, что прекращает или сильно ослабляет летнюю тягу воздуха. Из-за этого лед в пещерах сохраняется дольше. Эти действия аналогичны похолоданию внешнего климата и способствуют более длительному сохранению СЛО в пещерах. Искусственное воздействие на оледенения пещер может привести и к другому результату. Установка глухой двери в пещеру Бородинская в Красноярском крае и отсутствие проветривания привели к полному исчезновению льда в пещере. Отсутствие зимнего проветривания оказалось аналогичным сильному потеплению внешнего климата, когда в зоне отрицательной температурной аномалии в пещере температура поднялась до положительных значений. Известны случаи, когда искусственное воздействие на циркуляцию воздуха в пещере приводило к изменению характера оледенения в ней. Например, в Мариинской (Губахинской) пещере на Урале для предотвращения легкого попадания в дальнюю часть пещеры в одной из ее галерей была установлена бетонная пробка. В результате часть полости с сезонным оледенением превратилась в зону постоянного оледенения.

Есть и другие способы продления сохранения льда в экскурсионных пещерах. В связи с потеплением климата в вулканических пещерах мелкого заложения в основании горы Фудзи (Япония) лед стал быстро таять и не сохранялся летом. Чтобы продлить сохранение льда в одной из пещер зимой недалеко от входа вдоль стен полости были сделаны стенки из блоков искусственного льда. Поскольку для таяния искусственного льда потребовалось дополнительное тепло, это продлило период низких температур в полости и сохранность естественного льда. Похожие действия были проведены в Кунгурской пещере, когда тяга теплого воздуха из Телячьего ходка, которая ответственна за украшение Бриллиантового грота сверкающими сублимационными кристаллами зимой, прорвалась в соседний Полярный грот, растопив естественную ледяную перемычку. Это привело к исчезновению кристаллов в Бриллиантовом гроте. Чтобы восстановить поступление теплого воздуха в грот, ледяную перемычку между Полярным и Бриллиантовым гротом восстановили при помощи ледяных блоков, выпиленных на реке Сылве, протекающей по соседству с пещерой. Это привело к восстановлению прежнего режима формирования изморози в Бриллиантовом гроте.

Если в зоне постоянного оледенения зимний рост толщины наледного льда или накоплений снега не компенсируется их летним таянием, то накопление СЛО в пещере будет продолжаться до тех пор, пока лед или снег не заполнят полость или часть полости целиком. Это нарушит сложившийся тип циркуляции воздуха в полости. В результате, полость разделится на несколько частей, во внутреннюю часть охлаждающий внешний зимний воздух уже не сможет проникать. Это приведет к тому, что зона охлаждения внутри пещеры начнет отепляться с внутренней стороны, и лед, создавший перемычку, начнет таять. Так будет продолжаться до тех пор, пока дальняя часть пещеры не вскроется и зимний воздух не начнет вновь ее охлаждать. Так может возникнуть естественная цикличность изменения оледенения пещер, которая связана не с изменением климата, а с конечными размерами подземных полостей. Естественно, что для каждой полости будет характерен свой период изменения характера оледенения. Вот несколько примеров. Подобная цикличность была отмечена в нескольких небольших наклонных нисходящих пещерах в городе Кунгуре. Продолжительность цикла – несколько десятков лет. Цикличность накопления наледного льда была отмечена вокруг органных труб, которые находятся в зоне оледенения Кунгурской пещеры. Возникшее постоянное оледенение в Мариинской пещере привело к тому, что естественный вход, через который происходило охлаждение полости, заплыл льдом. В результате чего за ледяной пробкой началось отепление пещеры и уменьшение количества многолетнего льда. Оледенение восстановилось после протаивания ледяной пробки на входе пещеры.

В пещерной системе Снежная (Абхазия) был обнаружен цикл накопления снега в верхней части пещеры. Оказалось, что рост снежно-ледяного конуса в Большом зале пещеры может продолжаться до тех пор, пока он своей вершиной не заткнет канал, по которому поступает снег с поверхности (в виде лавин). После этого снег, не имея выхода в зал, заполняет все верхние каналы, и сам вход в пещеру закрывается снегом (заполняется снегов входной колодец). Поэтому снег с поверхности несколько лет не поступает в Большой зал. В результате, температура в зале повышается, и снег на конусе начинает оседать и таять. Когда вскроются и верхние каналы, снег начнет вновь зимой поступать в Большой зал. Продолжительность этого цикла видимо может меняться, но она более 40 лет.

В некоторых случаях крупные скопления льда в пещерах называют ледниками. В большинстве случаев это неправильно. Чаще всего такие скопления являются слоистыми многолетними наледями, то есть льдом, возникшим при послойном замерзании потоков и пленок воды. Даже скопления снега и льда в пещерах не всегда можно назвать ледником, поскольку, чтобы стать ледником снежно-ледяная масса должна обладать собственным движением. Даже когда такое движение есть, то измерить его не всегда возможно, да и величина движения обычно не превышает 0,5 м/год. В некоторых пещерах было отмечено очень медленное движение наледей. Но и в этом случае эти скопления льда ледниками не называют.

Какие измерения стоит проводить в связи с оледенением пещер? Во всех случаях интересна динамика изменения льда в пещерах в зависимости от изменения климата пещер и внешнего климата. Чтобы наблюдать за изменением ледяной поверхности в лед устанавливают репера (вставляют в пробуренные во льду отверстия), сделанные из дерева или пластика (из-за втаивания в лед металлические реперы дают некорректные результаты). Высота репера измеряется линейкой с обрезанным нулем. Если такие репера установить во льду в пещере на всем протяжении зоны отрицательной температурной аномалии и измерять регулярно (или несколько раз в год), то можно получить цифровые значения для скорости накопления льда или его таяния на всем протяжении зоны оледенения. Интенсивность испарения льда будет зависеть от близости ко входу в полость и интенсивности ветра в пещере; она редко превышает несколько сантиметров за зиму. Для накопления льда благоприятны места водопритока (капели, органные трубы, небольшие ручьи) в зоне отрицательной температурной аномалии.

Можно проводить изучение изменение нарастание изморози в пещерах, как об этом рассказано в работе (Рыжков и др., 1990).

Несколько слов скажем о химии льда. В принципе этот вопрос разработан еще очень слабо. Наименее минерализованным является снег, который заметается зимой с поверхности. Слабой минерализацией будет характеризоваться лед в известняковых пещерах (до 100-200 мг/л), а в гипсовых пещерах минерализация льда может превышать 2 г/л. При испарении льда в пещерах на его поверхности остается остаточная мука карбонатного или гипсового состава. Нередко в гипсовых пещерах со входами на разных высотах можно наблюдать горку белого порошка на месте бывшего (испарившегося) сталагмита. Еще известно, что при течении и замерзании воды по наклонной поверхности происходит концентрация солей в воде вниз по склону. Связано это с тем, что первым замерзает чистый лед, а более соленая вода стекает вниз по склону и замерзает позже. Это хорошо видно по остаточной муке на склонах, покрытых наледями, где поступление воды прекратилось и началось испарение льда. В этом случае количество остаточной муки вниз по склону будет увеличиваться. Однако количественных показателей изменения состава льда по наклону в пещерах при разной температуре воздуха при изменяющемся или постоянном водопритоке еще не получено.

Нередко в пещерах можно видеть в ледяных сталагмитах и на разрезах покровных наледей чередование слоев прозрачного и молочно-белого льда. Эта разница обусловлена температурными условиями в момент роста льда. Прозрачный лед на сталагмите растет при температуре воздуха, которая близка к нулевой. Медленное замерзание воды благоприятно для того, чтобы весь растворенный в воде воздух вышел, и лед становится прозрачным. Наоборот, при быстром замерзании при низких температурах воздуха растворенный и захваченный водой воздух не успевает до замерзания покинуть воду. Поэтому образуется мутный лед. Поэтому по характеру чередования прозрачных и непрозрачных ледяных слоев в сталагмите можно примерно охарактеризовать погоду в пещере во время его роста.

В настоящее время не имеется способов определения возраста льда. В пещерах это можно сделать, определяя возраст включений во льду. Наиболее продуктивным является изучение возраста остатков дерева при помощи радиоуглеродного анализа. Однако нужно помнить, что в этом случае мы можем получить возраст древесных остатков, а не льда. В некоторых случаях оба возраста могут совпадать, а других – сильно различаться. Последнее возможно при многократном переотложении древесных остатков. В настоящее время не известно пещер, в которых возраст льда был бы больше 3000 лет. Все это говорит о том, что в период климатического оптимума голоцена продолжительное время климат был гораздо теплее современного, что привело к полному таянию льда в пещерах, который накапливался в них ранее. Поэтому говорить о том, что лед в пещерах мог сохраниться со времен последнего оледенения, которое было около 18000 лет назад, неправомочно (по крайней мере, до тех пор, пока не будут получены научные доказательства этого).

Остаточная мука возникает при испарении льда зимой, но при смене режима циркуляции воздуха летом мука увлажняется и в ней происходит перекристаллизация, что ведет к росту новых кристаллических агрегатов. Это один из вариантов роста в пещерах криогенных минералов (Андрейчук и др., 2013). Рост криогенных минералов возможен в зоне оледенения, но он может не всегда быть прямо связанным со льдом. Из этого следует, что с оледенением пещер связано специфическое криогенное минералообразование.

Говоря об оледенении пещер, нельзя обойти стороной вопрос о многолетне мерзлых породах (мерзлоте) в пещерах. Поскольку в зоне отрицательной температурной аномалии пещер за зиму породы стен, потолков и пола пещер основательно промораживаются, а летом они оттаивают лишь в зоне сезонного оледенения, то в пещерах возникают участки с постоянной мерзлотой. При наличии влаги в отложениях на полу пещер она превращается в лед, цементируя рыхлые отложения. В случае стен возникают морозные породы, глубина промерзания которых зависит от условий в конкретной полости. Например, в Бриллиантовом зале Кунгурской пещеры стены проморожены на глубину более 7 м (Дорофеев, 1990). Вся вода, просачивающаяся по трещинам, в сводах также замерзает и при этом цементирует блоки сводов, что особенно важно в гипсовых пещерах, поскольку на протяжении всего периода промороженности устойчивость сводов таких пещер усиливается.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА: