logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Кунгурская Ледяная пещера: опыт режимных наблюдений / Под ред. В.Н. Дублянского. - Екатеринбург: УрО РАН,2005. - 376с. - [Гл. 13. Отложение / Н.Е. Молоштанова, Н.Г.Максимович, В.Н. Дублянский, Б.Р. Мавлюдов, У.В. Назарова]


Н. Е. Молоштанова, Н. Г.Максимович, В. Н. Дублянский, Б. Р. Мавлюдов, У. В. Назарова


13.6. СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ

Ледяные образования Кунгурской пещеры издавна привлекали внимание исследователей. Первым о них упомянул в 1722 г. В. И. Геннин [64]. Последующие ее описания [7, 39, 77, 184, 289, 351, 400, 402, 405, 444] свидетельствуют о том, что оледенение с этого времени не исчезало, хотя и менялось в размерах. Таким образом, достоверно известно, что оледенение в Кунгурской пещере существует более 280 лет.
В 1940-1950-е гг. XX в. большое внимание льдам Кунгурской пещеры уделил Г. А. Максимович, который описал их происхождение, предложил классификацию, изучил химический состав, составил первые инструкции по изучению пещерного льда [255-261, 270-273, 275 и др.]. Наиболее полно их описал Е. П. Дорофеев [111].
Основные условия появления и сохранения оледенения в пещерах — это наличие благоприятных соотношений температур вмещающих пород и внешнего воздуха, формы полости, запаса холода, водопритока [242, 243].
Соотношение внешних зимних температур воздуха и температуры пород, благоприятное для оледенения, можно получить на основе анализа математических моделей теплового режима пещер. Эти модели содержат ряд допущений, однако дают довольно близкую к реальной картину взаимодействия внешнего и пещерного температурных полей. Расчеты по ним трудоемки и требуют применения ПК.
На основании модельных расчетов выведен температурный индекс оледенения пещер (К):
, (13.1)
где — Tx средняя температура воздуха самого холодного месяца (чаще всего января); TM — температура вмещающих пород: TM=T0+a, где T0 — средняя годовая температура воздуха на поверхности, а — добавочный член, величина которого для разных частей России меняется от 2 до 6°С. Оледенение пещер может быть развито в тех районах, где К выше нуля; при К = 0,00-0,25 — развито сезонное, 0,25-1,00 — сезонное и постоянное, > 1 — постоянное оледенение пещер. В районе Кунгурской пещеры существуют климатические условия для развития сезонного и постоянного оледенения.
Форма полости определяет систему циркуляции воздуха и расположение зоны охлаждения зимним воздухом. На участках охлаждения возникают ОТА — отрицательные температурные аномалии, зоны со средней годовой температурой воздуха и пород ниже температуры вмещающих пород. Область ОТА располагается у нижней (ближней к выходу) части Кунгурской пещеры, в средней и верхней частях склона находятся трещинные выходы из пещеры, а область ПТА — положительной температурной аномалии, где средняя годовая температура воздуха и пород выше температуры карстового массива, приурочена к вертикальным стволам пещеры [220, 223].
Запас холода формируется при охлаждении полости зимним воздухом. Кратковременный, сезонный или многолетний запас холода (Q) образуется согласно уравнению
, (13.2)
где Q1 — тепло, выносимое из пещеры; тепло, поступающее в пещеру: Q2 — с водой и воздухом, Q3 — из недр массива, Q4 — за счет фазовых переходов воды. Запас холода в пещере реализуется в виде промороженных стен, а при наличии водопритока — в виде запаса льда.
В Кунгурской пещере вынос тепла из зоны ОТА в течение зимы намного превосходит привнес тепла в нее летом из глубины полости. Ориентировочные расчеты показали, что суммы средних суточных температур воздуха в 1969 г. соответственно составляли -2405 и +830°С, а в 1984 г. -1904 и +970°С. Таким образом, в пещере на протяжении приблизительно 200 м от входа существует зона устойчивых отрицательных средних годовых температур воздуха. Граница постоянного оледенения проходит по изотерме +0,2°С, а сезонного — около +1,0°С.
Водоприток в пещеру определяет морфологию, распространение, запасы и баланс массы льда в полости. Количество воды, поступающей в пещеру, зависит от количества твердых и жидких осадков, попадающих непосредственно в полость или с подземными водами, а также от условий конденсации и сублимации водяного пара в ней.
Второстепенные условия развития и сохранения оледенения — воздействие атмосферных явлений (давление, влажность воздуха, солнечная радиация, атмосферная циркуляция воздуха), строение полости, теплофизические свойства пород, геоморфологические условия, наличие растительности — влияют на величину запасенного в ней холода [242].
Согласно современным классификациями [104, 244], в Кунгурской пещере имеются конжеляционные, сублимационные и осадочно-метаморфические льды11. Основную массу составляют конжеляционные льды (98 %), на долю сублимационных и осадочно-метаморфических приходится всего 2 %. Их распределение показано на рис. 13.18.
Конжеляционные льды образуются при замерзании инфильтрационных, конденсационных, карстовых вод и воды в пустотах и порах скальных пород [146, 327].
При капельных водопритоках инфильтрационных вод образуются висячие наледи: сталактиты, гребешки, каскады, занавеси, драпировки, сталагмиты, колонны и их комбинации; при струйном стекании — колонны и покровные наледи, при капельном — гребешки, сталактиты, сталагмиты, при пленочном — покровные наледи. Карстовые воды образуют покровные наледи, а воды озер — лед водоемов. При слабом переохлаждении воды могут возникнуть плавучие кристаллы льда, а у берегов — забереги; дно иногда обрастает донным льдом. Мелкие водоемы могут промерзать до дна. Вода в пустотах и порах скальных пород образует цементный лед, в трещинах — жильный, в дисперсных породах (суглинки, глины) — сегрегационный. У выхода микротрещин на границе скальной породы и воздуха образуются единичные формы стебелькового льда (антолиты, разновидность сегрегационного льда).
Для удобства описания иногда выделяют натечные, озерные, сегрегационные льды, льды-цементы и жильные льды [111, 117, 121, 123, 125 и др.].
Рис. 13.18. Распределение снежно-ледяных образований в ближней части Кунгурской пещеры. 1 — сталагмиты; 2 — сталактиты; 3 — покровы и коры; 4 — сублимационные кристаллы; 5 — озерный лед; 6 — офирнованный снег
Натечные льды Кунгурской пещеры описаны наиболее подробно. Лед появляется в первую очередь у пола, где движется холодный тяжелый воздух. В местах капели со сводов вода уже не просачивается в грунт, а замерзает, образуя сталагмиты, которые в благоприятных условиях достигают 2-3 м высоты. Позднее, когда температура у сводов также опустится ниже 0°С, начинается рост сталактитов. В гроте Крестовый в марте 2003 г. описан сталактит длиной 3,5 м. Срастаясь, сталактиты и сталагмиты образуют сталагнаты, или колонны. Когда породы в своде промерзнут, поступление воды прекращается. Начинается испарение ледяных натеков, меняющее их форму и размеры (рис. 13.19-13.33).
Смена погоды на поверхности земли, чередование похолоданий и оттепелей влияют на форму сталагмитов. В морозы они тянутся вверх, приобретая острые верхушки; при оттепели появляются утолщения и головки. Воздушные потоки иногда вызывают неравномерное замерзание воды на сталагмитах, принимающих форму штопоров с левым или правым вращением. В местах интенсивной капели они имеют вид пирамид из прозрачных ледяных шаров (ледяной виноград). В. Н. Андрейчук [19] описал возникновение в момент оттепели или весной «бокаловидных» сталагмитов — в местах падения капель воды образуется емкость, вмещающая иногда до 1 л воды. Сухой холодный воздух подтачивает основание сталагмитов. Часто его рост сверху и испарение льда снизу происходят одновременно, пока сталагмит не падает набок под тяжестью головки.
Формы сталактитов менее разнообразны: на горизонтальных сводах и выступах образуются конусовидные сосульки, на наклонных — плоские сталактиты, флаги, гирлянды, занавеси. В местах обильного поступления и быстрого замерзания воды вырастают ветвистые сталактиты.
Для участков пещеры, имеющих разную высоту сводов и количество просачивающейся воды, характерны условия, благоприятствующие росту тех или иных образований. Поэтому в одних местах ежегодно появляются сталагмиты, в других — сталактиты, в третьих — покровные наледи и наледи в форме каскадов. С наступлением зимы зона сезонного оледенения постепенно расширяется.
Натечные ледяные образования бывают прозрачные и молочно-белые, встречаются и переходные разновидности. Даже соседние сталактиты и сталагмиты могут быть разной прозрачности. Большинство сталагмитов имеет прозрачное стекловидное ядро головки и матовую мутную периферийную часть. Прозрачность льда зависит от скорости замерзания воды, наличия во льду воздушных пузырьков, степени переохлаждения воды и связанных с ней размеров кристалликов льда. Чем меньше размеры кристаллов, тем менее прозрачен лед. Так как в Кунгурской пещере замерзает вода сравнительно высокой минерализации, его прозрачность зависит также от количества примесей (табл. 13.9).
На осыпях и полах пещеры за счет инфильтрации из трещин образуется сезонный (гроты Западный, Грозный, Крестовый, Руины, Вышка, Великан) и многолетний наледный лед (гроты Бриллиантовый, Данте, Полярный, Скандинавский, проход между гротами Горе Толстякам и Длинный) мощностью до 2 м. После наводнения 1979 г. после просачивания воды через глиняную перемычку, защищавшую вход в пещеру, мощная наледь образовалась во Входном тоннеле.
Рис. 13.19. Группа сталагмитов в гроте Крестовый
Рис. 13.20. Сталагмиты под органной трубой в гроте Крестовый Рис. 13.21. Сталагмиты-палки в гроте Вышка
Рис. 13.22. Сталагмиты в гроте Грозный Рис. 13.23. Булавовидные сталагмиты в гроте Грозный Рис. 13.24. Штопорные сталагмиты в гроте Крестовый Рис. 13.25. Сложный сталагмит в гроте Вышка
Рис. 13.26. Кораллитовые сталагмиты в гроте Руины Рис. 13.27. Ледяной сталагнат в гроте Вышка
Рис. 13.28. Сложные кристаллы в гроте Вышка Рис. 13.29. «Ледяной дождь». Сталактиты (грот Руины) Рис. 13.30. Резной сталактит, возникший при пульсирующем поступлении воды из трещины (грот Грозный)
Рис. 13.31. Линейно расположенные сталактиты и сталагмиты под трещиной в своде грота Крестовый Рис. 13.32. Многолетний лед в гроте Полярный
Рис. 13.33. Сталактиты, сталагмиты, сталагнаты и многолетний лед в гроте Полярный
Таблица 13.9 Средний химический состав льда сталагмитов из грота Крестовый (анализы выполнены в марте 1966 и 1968 гг.), мг/дм3
На изломах упавших сталактитов и сталагмитов видны радиально расположенные крупные кристаллы льда, а в разрезе слоистых натечных льдов — столбчатые кристаллы. В многолетнем натечном льде четко фиксируются годичные слои, которые чаще всего маркируются грязевыми горизонтами или корой таяния.
Натечные льды в теплый период активно стаивают в гротах Крестовом и Руины, накапливаются в гротах Данте, Скандинавский, Полярный, Бриллиантовый.
В холодный период льды испаряются под воздействием потоков морозного воздуха, особенно в первых гротах — Бриллиантовом и Полярном, а также в проходе к гроту Данте. В результате в наледях возникают ниши, на днище которых лежит слой остаточной гипсовой муки. Некоторые сталагмиты, образовавшиеся в начале зимы, с усилением морозов исчезают за счет испарения. Их основания к концу зимы оказываются покрытыми сплошным белым слоем гипсовой муки.
Озерный лед Кунгурской пещеры изучен сравнительно слабо. В журнале Е. П. Дорофеева имеются данные о замерзании озер в гротах Вышка, Лукина, Великан, Крестовый (колодец), Геологов, а также о ледяных пластинках-заберегах (следы высокого стояния воды р. Сылвы в паводок) в гротах Первый (50-е гг.), Вышка (15.Х.1978, 1980, 1982, 1983, 1986, 1987 гг.), Лукина (15.VII.1978, 15.V.1982, 15.IV.1983, 15.1.1985 гг.), Великан (15.III и 15.IV.1979 гг.), Крестовый (15.VII.1978 г.). В 1966-1967 гг. описан сравнительно редкий случай образования льда на поверхности озера в гроте Геологов в сильные морозы [110]. В декабре-январе температура воды в озере снизилась от 4,8 до 0°С и 07.11.1967 г. на поверхности воды образовались прозрачные ледяные кристаллы, которые представляли собой свободно плавающие или сросшиеся концами шестилучевые пластинки поперечником до 100 мм и толщиной до 1 мм. С удалением от берегов размеры и толщина пластинок убывали.
В результате химического анализа воды Кунгурской пещеры получены интересные материалы о составе исходной воды и образующегося льда в гротах Великан, Великан-Вышка и Геологов. Общей закономерностью является снижение минерализации льда в 3-10 раз, сопровождающееся уменьшением содержания основных компонентов (SO4, Са, Mg); рН и гидрохимический тип воды остаются неизменными (см. табл. 11.8).
Сегрегационные льды образуются в водонасыщенных грунтах в зоне сезонного оледенения при резких похолоданиях на поверхности. Они были встречены также при бурении скважин и шпуров, и при проходке соединительных тоннелей и расширении проходов в пещере. Наблюдалось также образование «ледяных кустов» игольчатого льда, растущего из пор в бетоне, скрепляющем глыбы крепи.
Льды-цементы скрепляют щебень и дресву, образуя своеобразную брекчию с ледяным цементом (гроты Вышка, Западный и др.). Разнообразие форм льда в гротах пещеры показано в табл. 2.8.
Сублимационные льды. Воздухообмен между атмосферой и подземными полостями, а также между отдельными участками пещеры создает условия для конденсации (сублимации) влаги на одних, ее испарения (возгонки) — на других участках. Граница между этими зонами непрерывно перемещается в плане и по вертикали. Для возникновения сублимационных кристаллов температура воздуха должна быть отрицательной, а предмет, на котором идет кристаллизация, — иметь температуру ниже точки росы. Воздух, соприкасаясь с породой или льдом, становится пересыщенным влагой. Сублимационные кристаллы появляются в местах контакта холодного сухого и теплого влажного воздуха. Это происходит вблизи противотока в основном пещерном канале, когда холодные воздушные потоки движутся вдоль пола, а более теплые — вдоль свода галерей в обратном направлении. М. П. Головков [76, 77] и Е. П. Дорофеев [111, 114, 117, 120 и пр.] выявили морфологическое многообразие сублимационных ледяных кристаллов Кунгурской пещеры (листовидные, лотковые, пирамидальные, прямоугольные, игольчатые), а также наличие сложных форм (сростки).
Устойчивые очаги сублимации, где кристаллы разрастаются особенно интенсивно, возникают в гротах Бриллиантовый, Полярный, Скандинавский, Западный, Крестовый, Руины и в проходах между ними.
Листовидные кристаллы имеют вид сплошных пластинок, достигающих 50 мм в поперечнике и 100 мм в длину. Форма пластинок похожа на листья или лепестки цветов. От края к основанию толщина ступенчато увеличивается. На краю кристалла обнаруживают радиально вытянутые ледяные пластинки толщиной около 0,025 мм и шириной до 0,5 мм, между которыми остаются глубокие разрезы. На продолжении разрезов в кристалле видны радиально вытянутые газовые пузырьки. Они придают кристаллу вид листа с сетью жилок (рис. 13.39). При понижении температуры происходит нарастание на кристалле новых пластинок под небольшим углом к первой. Появляется параллельная штриховка растущих пластинок, начинается рост новой — лотковой формы. Переход от кристаллов листовидной формы к кристаллам лотковой формы зафиксирован на деревянной рейке в гроте Полярный.
Лотковые кристаллы — это скелетные кристаллы, которые растут при большом пересыщении воздуха влагой; при этом скорость роста на ребрах многократно выше, чем на гранях, поэтому и возникают бокаловидные формы или их части — лотки (см. рис. 13.36). Они представляют собой 1-3 грани шестисекторной пирамиды-воронки. Часто разрастается одна крупная грань, похожая на дно лотка, и две недоразвитые боковые, образующие борта. Треугольные микроступеньки-грани, расширяющиеся от основания к краю, состоят из ступенек роста, ориентированных перпендикулярно главной оси симметрии. Ступенчатые плоскости, переходящие на соседнюю, недоразвитую грань, заворачиваются отдельными пучками в шестигранные спиралевидные воронки, расположенные по краям. Подобные кристаллы наиболее распространены в пещере, покрывая стены гротов и ранее возникшие ледяные образования. В пластинчатых кристаллах с понижением температуры также появляются ступеньки роста. Постепенно ими прорастает весь кристалл, преобразуясь в лотковый. Красивые друзы лотковых кристаллов украшают свод Полярного грота, появляются на непродолжительное время в гротах Вышка и Западный.
Пирамидальные кристаллы представляют собой шестисекторные воронки-пирамиды, прикрепленные узким основанием к своду или ко льдам на своде. Правильные воронки-пирамиды образуются только на свободных ото льда сводах. Обычно встречаются спиралевидные пирамидальные кристаллы, ступенчато разросшиеся на лотковых и полностью их маскирующие. В каждой разросшейся друзе ступеньки роста и образованные ими грани пирамид ориентированы в трех направлениях, образуя углы по 120°. Параллельно направленные грани многочисленных пирамид отражают свет как один большой кристалл. У каждой воронки одна из граней как бы разорвана, и края по разрыву закручены в шестисекторные спирали ступенек роста. Так формируется множество незавершенных шестисек-торных пирамид. Кристаллы пирамидальных форм часто встречаются вместе с лотковыми, так как лоток — это неполная пирамида (рис. 13.37).
К пирамидальной форме относятся и описанные М. П. Головковым [77] шестиугольные выпукло-вогнутые пластинки. Плоских шестиугольных пластинок, подобных некоторым видам снежинок, в пещере не встречено, но с повышением температуры отмечается тенденция перехода воронки к шестисекторной пластинке. При понижении температуры воронка становится глубже, приобретая бокалообразную форму. Если при относительно высоких температурах отложение льда и рост кристаллов шли в стороны, перпендикулярно главной оси симметрии гексагонального кристалла, то при более низких температурах начинается преимущественный рост кристаллов льда вдоль главной оси симметрии.
Прямоугольные кристаллы. На ребрах пирамидальных кристаллов с наружной стороны вырастают столбики-иглы, ориентированные вдоль главной оси симметрии. Срастаясь между собой, они образуют новые грани, перпендикулярные граням пирамид. Так образуются скелетные сростки с прямоугольными ячейками-пирамидами (вид сбоку) и ступенчато расположенными шестисекторными спиральными пирамидами (вид сверху). С понижением температуры шестисекторная пирамидальная форма распадается и исчезает, а прямоугольная проявляется более отчетливо (рис. 13.38).
Игольчатые (столбчатые) кристаллы возникают при дальнейшем снижении температуры. За два-три очень морозных дня в гроте Вышка на металлических ограждениях и сталагмитах вырастали иглы до 300 мм длиной. С наступлением оттепели, на их боковых поверхностях начинается отложение льда. Под собственной тяжестью кристаллы как бы «провисают», образуя шнуры и цепи (рис. 13.40, 13.41).
Дендритовые кристаллы имеют вид резной пластинки толщиной 0,025 мм, похожей на лист папоротника или перья птицы. В каждой пластинке имеется только три направления параллельных лучей, расположенных под углом 60°, а сам кристалл является аналогом разросшейся в одном направлений снежинки. Такие кристаллы появляются в Бриллиантовом гроте при температуре ниже -18,0°С — они бахромой свисают со свода, колышутся под напором потока воздуха.
При оттепели происходит обратная смена форм кристаллов. Хрупкие дендриты обычно осыпаются на пол, у игольчатых все более проявляется прямоугольно-пирамидальное строение, а на свободных концах игл, подобно снежинкам, вырастают шестисекторные пирамиды-воронки, имеющие вид запонок. Летом прямоугольные кристаллы исчезают, но сохраняются пирамидальные и лотковые. В осенне-летний период много кристаллов осыпается на пол, озерняется (кристаллы обтаивают и принимают форму зерен), смерзается и перекристаллизуется, образуя снегоподобную массу. Площадь скоплений достигает 0,5-2,0 м2, мощность — 10-20 см. Летом эти образования подтаивают, покрываются плотной корой, иногда исчезают (гроты Бриллиантовый, Вышка, Полярный).
Кристаллическая изморозь появляется при отсутствии температурной разности между поверхностью предмета и воздухом; она нарастает на ранее возникших кристаллах, различных предметах, имеющих небольшую теплопроводность и интенсивно образуется при понижении температуры воздуха на поверхности земли. При повышении температуры воздухообмен в пещере замедляется, и скорость роста изморози снижается (рис. 13.42).
Кристаллический налет появляется на теплоинерционных предметах, имеющих температуру ниже окружающего воздуха. Его возникновение отмечается зимой при оттепелях, когда наружный воздух с относительно высокой температурой, попадая в пещеру, соприкасается с охлажденными стенками и предметами, а также летом, когда пещерный воздух с положительной температурой движется к выходу через охлажденную ближнюю часть пещеры.
По Е. П. Дорофееву [111], в Кунгурской пещере сублимационные кристаллы разных форм образуются при различных температурах: листовидные — при -0,5…-2,0°С; лотковые — при -0,5…-5,0°С; пирамидальные — при -3,0.. .-5,0°С; прямоугольные — при -5,0.. .-7,0°С; игольчатые (столбчатые) — при -10,0.. .-15,0°С; папоротниковые — при -18,0.. .-20,0°С. Наблюдения за естественными и искусственно выращенными льдами показали неполное совпадение приведенных интервалов с теоретическими данными. Это связано с отсутствием синхронных замеров температуры и влажности воздуха у растущих кристаллов в Кунгурской пещере и с недостаточной изученностью пещерной изморози [247].

Рис. 13.34. Форма сублимационных кристаллов льда как функция температуры воздуха и пересыщения водяного пара по отношению ко льду [247]. t — температура воздуха; S — пересыщение водяного пара по отношению ко льду; W — линия, соответствующая давлению водяного пара над переохлажденной водой при данной температуре. Форма кристаллов: 1 — пластинки, 2 — иглы, 3 — полые призмы, 4 — пластинки, разбитые на секторы, 5 — дендриты (ветвистые кристаллы), 6 — толстые пластинки (скелетные), 7 — сплошные очень толстые пластинки, 8 — сплошные призмы, 9 — бокалы
Как следует из рис. 13.34, форма сублимационных кристаллов зависит от температуры и влажности воздуха. Дендриты льда образуются только тогда, когда пересыщение воздуха влагой превосходит точку насыщения по отношению к воде (а не ко льду) при данной температуре воздуха; при меньшем пересыщении образуются кристаллы пластинчатой формы. Внешняя форма кристаллов сохраняет только те элементы собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды: симметрией поля давления водяного пара, потоков питания к кристаллу, молекулярной теплоемкости, а также направления движения выделяемой и поглощаемой теплоты кристаллизации.
Лабораторные исследования показали, что максимальная скорость роста сублимационного льда наблюдается при температуре воздуха около -5,0°С, а при более высоких и низких температурах скорость роста кристаллов понижается. Влияние степени пересыщения воздуха влагой на скорость сублимации льда в пещерах изучено недостаточно. Принято считать, что влажность воздуха в пещерах всегда близка к 100 % [63, 219, 260, 461 и др.]. Исследования последних лет показали, что возможна ситуация, когда она достигает 150 % и более (воздух пересыщен влагой).
Обычные приборы не могут фиксировать пересыщение, однако его можно оценить расчетным путем [247]. Пусть теплый воздух поступает в промороженную полость. Превышение влажности теплого воздуха над влажностью холодного и есть пересыщение воздуха влагой (в действительности степень пересыщения будет несколько ниже, так как при смешении теплого и холодного воздуха образуется смесь с промежуточной температурой и влажностью). Наибольшие по площади и объему скопления сублимационных кристаллов льда располагаются вблизи входов в пещеру.
Форма сублимационных кристаллов зависит не только от температуры воздуха (см. рис. 13.34). Если принять температуру притекающего из бокового хода потока воздуха равной 0°С, то, чем ниже будет температура воздуха в основном канале полости, тем больше будет пересыщение воздуха влагой. Однако чем больше пересыщение, тем больше выделится тепла при сублимации льда, что отрицательно скажется на росте кристаллов. Чтобы учесть выделившееся тепло, используют соотношение:
, (13.3)
где Tрэт — реальная эквивалентная температура воздуха; T — температура воздуха в пещере; e — влажность теплого воздуха, eп — влажность у поверхности льда. Рост сублимационных кристаллов льда будет идти тогда, когда Tрэт < 0, т. е. когда T < 1.75(e-eп). По этому неравенству можно оценить температуру воздуха, необходимую для сублимации льда при разном пересыщении воздуха влагой.
Величина слоя пара в воздухе влияет на массу образующегося в пещере сублимационного льда и на форму его скоплений. Развиваются преимущественно те кристаллы, направление наибольшей скорости роста которых не выходит за пределы переохлажденного слоя пара. Чем тоньше этот слой, тем больше ориентирующее влияние субстрата и наоборот — вплоть до полного его отсутствия в условиях равномерного пересыщения значительной толщи пара.
Влияние субстрата и движения воздуха на сублимацию льда изучено слабо. Сублимация идет на поверхности гипсов и льдов, металлов, цемента и дерева. Наибольшие по массе скопления изморози приурочены к участкам с активным движением воздуха в пещере. Кристаллы быстрее растут в тех точках, где выделяющееся при сублимации тепло быстрее уносит ветер. При обдувании гексагональной ледяной пластинки воздушным потоком со скоростью ветра около 10 см/с на ее углах за несколько секунд выросли ажурные кристаллы в виде веточек. Когда воздушный поток был отключен, на концах веточек появились пластинчатые расширения.
Сублимация в гротах Кунгурской пещеры происходит не повсеместно. Ее максимум сдвинут (рис. 13.35-13.42) к сводам гротов (Бриллиантовый, Полярный). По-видимому, положение максимума сублимации зависит от толщины и температуры более теплого потока воздуха в пещерном канале.
Максимум объема сублимационного льда приурочен к периоду минимальных температур воздуха во входных частях пещер или несколько позже. В Кунгурской пещере это наблюдается в феврале-марте. При изменении условий в пещере (резкое похолодание на поверхности) все сечение грота может быть занято потоком сухого холодного воздуха, что приведет к прекращению сублимации и началу испарения сублиматов. Поскольку изморозь растет с расширением от основания, то наиболее уязвимы для испарения (и таяния) места прикрепления кристаллов к своду. Поэтому в Кунгурской пещере часто наблюдается осыпание кристаллов в период похолодания.
В Кунгурской пещере наблюдается и летняя сублимация льда, хотя и в меньшем объеме, чем зимой, так как обусловливается только тем холодом, который запасли толщи пород и льда за зимний цикл охлаждения пещеры. При этом образуются небольшие пластинчатые кристаллы льда (до 5 мм в поперечнике, как например, в VIII-IX.1985 г.), которые растут в соответствии со штриховкой Фореля ледяного кристалла основания (каждая пластинка сублимационного кристалла является как бы продолжением одной из базисных плоскостей ледяного кристалла субстрата). Так как в субстрате ориентировка базисных плоскостей у каждого кристалла льда различна, при освещении ледяной стены под определенным углом по разному наклону растущих на нем сублимационных кристаллов хорошо отбиваются границы кристаллов субстрата и ориентация их базисных плоскостей. Наблюдения за ориентацией летних сублимационных кристаллов позволяют проводить специальные исследования кристаллов субстрата без применения приборов и отбора образцов.
Таким образом, механика образования сублимационных кристаллов в Кунгурской пещере в общих чертах ясна, но для выяснения динамики процесса сублимации необходимы дополнительные исследования.
Осадочно-метаморфические льды. Потоком воздуха в Первый грот через Старый вход в пещеру вносится снег, который преобразуется потом в зернистый фирн и лед. В весенне-летний период много кристаллов осыпается на пол и смерзается в гроте Бриллиантовом и Полярном. Площадь скоплений осадочно-метаморфических льдов достигает 0,5-2,0 м2, мощность — 10-20 см. Летом эти образования подтаивают, озерняются и покрываются плотной корой, иногда исчезают.
Рис. 13.35. Кристаллы на своде грота Полярный Рис. 13.36. Кристаллы лотковой формы в гроте Вышка Рис. 13.37. Кристаллы пирамидальной формы в гроте Полярный Рис. 13.38. Кристаллы прямоугольной формы в гроте Полярный Рис. 13.39. Листовидные кристаллы в гроте Полярный Рис. 13.40. Кристаллы игольчатой формы в гроте Бриллиантовый Рис. 13.41. Иглы на ограждении (длина до 300 мм) в гроте Вышка Рис. 13.42. Изморозь на стене в гроте Бриллиантовый
_________
11Г. А. Максимович [260] разделял пещерные льды на гидрогенные, атмогенные и гетерогенные.

назад дальше наверх навигация
«Пермский государственный национальный
исследовательский университет»