Крым
Книги
Занимательная спелеология
Глава 8
Есть много струй в подлунном мире,
Ключи поют в пещерах, где темно,
Звеня, как дух...
К. Бальмонт
Карстовые пещеры являются порождением движущейся воды и одновременно - ее вместилищем. Еще натурфилософы Древней Греции отмечали многообразие форм существования воды: в атмосфере она находится в виде пара; в порах, трещинах и кавернах - в капельно-жидком виде, стекая по их стенкам; в пещерах образует скопления стоячей (лужицы, озера) или движущейся (ручьи, реки) воды; в благоприятных климатических условиях она формирует значительные скопления снега и льда. Законы движения воды в разных состояниях различны и исследуются методами метеорологии, гидрологии и гляциологии. Чтобы правильно оценить особенности подземного ландшафта, спелеологу приходится использовать основные положения как этих, так и многих других научных дисциплин. Попробуем и мы кратко ознакомиться с "тонкостями" поведения воды под землей.
С парообразной влагой связана одна из самых противоречивых проблем современной гидрогеологии - проблема конденсации. Первые упоминания о возможности конденсации влаги в пещерах Средиземноморья принадлежат древнегреческим философам Фалесу Милетскому и Аристотелю (VII-VI вв. до н. э.). В XVII в. их идеи развили Рене Декарт и Цезарь Кюн, а в 1887 г. Отто Фольгер предложил гипотезу о преобладающем значении конденсации в питании подземных вод. В 1890-91 гг. с ее резкой критикой выступил метеоролог Отто Ганн, и лишь глубокие исследования русского гидролога А. Ф. Лебедева (1908-1936 гг.), оставшиеся почти неизвестными за рубежом, возродили эти идеи на новой теоретической основе.
Прежде всего, было установлено, что парообразная влага может передвигаться независимо от потока воздуха. Она перемещается из зон с большей абсолютной влажностью (е, мм рт. ст.) к зонам с меньшей влажностью, а при их равенстве - из зоны с большей температурой воздуха (t, °C) к меньшей. Оценить значения е и t на поверхности и под землей можно легко с помощью психрометра.
Второй важный момент. По микроклиматическим данным, в теплый период времени (апрель-сентябрь) абсолютная влажность воздуха под землей на 1-7 мм рт. ст. ниже, чем на поверхности. Таким образом, возникает устойчивый поток влаги из атмосферы в карстовые пещеры и шахты, где и происходит ее конденсация.
Теоретические выкладки А. Ф. Лебедева хорошо подтверждались наблюдениями в карстовых районах. По историко-археологическим данным, именно конденсационную влагу использовали жители античных и средневековых поселений Южной Европы и Центральной Азии; гидрогеологические данные свидетельствуют о существовании небольших, но постоянных источников близ горных вершин, перевалов, на изолированных возвышенностях - останцах, где питание дождевыми осадками близко к нулю; гидрологи давно отметили, что карстовые реки не пересыхают все лето, причем их расходы в период без дождей, длящийся иногда 3-4 месяца, поддерживаются на одном уровне (3-6 л/с). Наконец, прямые эксперименты по получению влаги в специальных установках с различным заполнителем (глыбы, щебенка, галька, песок), проведенные в самых разных климатических зонах - от сухих субтропиков до тундры,- показали, что каждые 5 м3 заполнителя генерируют в среднем 1 литр воды.
В 60-70-е гг. в разных районах бывшего СССР были выполнены десятки тысяч замеров микроклиматических параметров полостей. Их обработка показала, что расходы 25 различных карстовых источников, расположенных в 30-1800 м над уровнем моря, строго следуют за изменениями температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха. Только реагируют они на них по-разному и запаздывают на 1-16 часов, что определяется геологическими и гидрогеологическими особенностями района. Связь между расходом и влажностью характеризуется очень высоким коэффициентом корреляции (0,84+0,12). Расчеты показали, что конденсация под землей в среднем составляет 3,5% от годового количества атмосферных осадков. Казалось бы, мелочь. Но не спешите с выводами. Дело в том, что около 50% выпадающих осадков испаряется и, следовательно, не идет на питание подземных вод. Это повышает реальный вклад конденсации до 7% от осадков. Кроме того, конденсация происходит в теплый период, когда дождей сравнительно немного. Поэтому в отдельных карстовых районах летняя конденсация составляет до 30% от разности осадки/испарение, обеспечивая работу одного условного карстового источника с расходом 4-5 л/с с каждого квадратного километра территории.
Казалось бы, проблема решена. Но гидрогеологи, далекие от спелеологии, не верили ее "ползучим" методам. Повод для сомнений был: ведь конденсация происходит только в теплый период, а зимой абсолютная влажность под землей выше, чем на поверхности! Отсюда напрашивается вывод - зимнее испарение компенсирует летнюю конденсацию...
Пришлось опять залезть под землю. Материалы по крымским пещерам не давали ясного ответа, так как там снег в горах стаивает 5-7 раз за зиму, все время "подпитывая" карстовые воды. В такой ситуации отделить конденсационные воды от инфильтрационных почти невозможно. Другое дело - высокогорье и приполярные области, где он лежит всю зиму! "Первый звонок" прозвучал в шахте Снежная на Бзыбском массиве (Грузия). В стремлении преодолеть рубеж 1000 м А. Морозов, Д. Усиков, Т. Немченко и их коллеги с 1977 г. начали проводить зимние экспедиции. В это время им не угрожали катастрофические паводки (летом здесь иногда выпадает до 100 мм осадков в сутки!). Правда, резко повышалась опасность лавин на подходах (что и привело в 1985 г. к трагической гибели трех спортсменов во главе с опытнейшим А. Морозовым). Работая зимой под землей, спелеологи обратили внимание на то, что, несмотря на низкие температуры, на поверхности (до -30 °С), капель под землей не прекращалась.
"Второй звонок" последовал из гипсовых пещер Пинего-Кулойского плато (Архангельская область). В 1981 г. спелеологи В. Н. Малков и Н. К. Франц рассказали о результатах наблюдений над "зимней" конденсацией. Оказалось, что ее интенсивность увеличивается с понижением температуры воздуха на поверхности.
Теперь оставалось обосновать фактические наблюдения теоретическими расчетами. Для этого опять пришлось вернуться в Крым, где имелся богатейший банк данных по микроклимату пещер. В холодный сезон температура воздуха под землей составляет в среднем +10 °С, абсолютная влажность - 9,0 мм рт. ст., а на поверхности -10 °С и 2,2 мм рт. ст. Таким образом, действительно, в этот период происходит вынос влаги из карстового массива. Но (очень важное "но") происходит он не в открытую атмосферу! Парообразная влага из глубины массива поднимается вверх, конденсируется в верхней, охлажденной части массива и на нижней поверхности покрывающего его снега и в виде капели поступает по трещинам и полостям обратно в глубину массива. Таким образом, летняя конденсация - это прибавка в водном балансе карстовых массивов, а зимняя - "вечный двигатель" коррозионных процессов в приповерхностной зоне.
Но не надо думать, что проблема конденсации разрешена. Конденсационная влага в момент зарождения (in statu nascendi, как говорят химики) обладает нулевой минерализацией и очень высокой агрессивностью - способностью растворять горную породу. Это определяет роль конденсации в холодном (образование микроформ на стенах, разрушение натеков) и горячем (образование пещер-шаров над поверхностью термальных, нагретых свыше 20 °С вод) спелеогенезе. Конденсационное происхождение имеют (или могут иметь) десятки подземных новообразований - сталактиты, коры, кораллиты, геликтиты, цветы и пр. Далеко не все ясно и в теории конденсации, и в методах ее определения.
Все это дало основания для постановки Международным союзом спелеологов специальной программы по комплексному изучению конденсационных процессов в карстовых коллекторах. К ее разработке в 90-е гг. подключились лучшие специалисты мира. Можно утверждать, что через несколько лет здесь нас ждут важные открытия.
Второй формой движения воды, проникшей под землю в виде атмосферных осадков или образовавшейся вследствие конденсации, является капельно-жидкая. Ну уж тут-то не будет никаких неожиданностей, подумаете вы. Ведь капли дождя мы наблюдаем и на поверхности...
Каплям, действительно, посвящены десятки серьезных исследований и популярных книг /5, 8 и др./. Они всегда в движении, в динамике рождения, преобразования, исчезновения. Их полет - это колебания размеров и формы, распад и слияние, испарение и конденсация. С микроскопических капель горючего начинались ракетная авиация и ракетостроение. Многообразие проблем, связанных с ними, породило мысль о создании науки о капле - "сталагмологии". Не утомляя читателя математическими формулами, коснемся только некоторых особенностей поведения капель воды в карстовых полостях.
"...Мы сидим на покрытом глыбами известняка втором этаже Красной пещеры. Над нами на 135 метров (45-этажный дом...) взметнулся купол Голубой Капели. Там, в недосягаемой вышине, зарождаются капли. В свете наших сильных фонарей видно, как происходит их отрыв. Они набирают скорость - кажется, прямо в лицо летят сверкающие шарики... Но нет. Они проносятся мимо. Удар - и во все стороны разлетаются блестящие осколки. Воздух насыщен водяной пылью и пронизан волнами ритмичных звуков, создающих тот неповторимый фон, который свойствен только подземному миру..."
Приведенные строки - выписка из полевой книжки автора, по специальности гидрогеолога. Интересно сравнить их с восприятием сидевшего рядом физика и кристаллографа Владимира Илюхина. В его блокноте несколько коротких фраз со знаками вопроса: Размеры капель? Скорость и характер падения? Удар? Ответы на них пришли значительно позже.
Размеры капель воды, образующихся в карстовых полостях, зависят от диаметра питающего канала или ширины трещины, интенсивности поступления воды (времени каплеобразования), температуры, поверхностного натяжения (для чистой воды - 70 дин/см), плотности воздуха и многих других причин. Использовав формулу Стокса и выполнив ряд несложных расчетов, можно прийти к понятиям о "маленькой" и "большой" каплях. Маленькая капля имеет размеры, при которых сила поверхностного натяжения больше, чем сопротивление воздуха. Маленькие капли имеют диаметр меньше 0,02 мм. Большие капли (диаметр около 1 мм), напротив, имеют размеры, при которых сила поверхностного натяжения меньше, чем сопротивление воздуха. В условиях пещер мы имеем дело в основном с большими каплями, маленькие капели образуются только близ водопадов, где происходит дробление водяной струи.
| Рис. 58. Капелька, возникшая из перемычки, возвращается к сталактиту (А) или образует множество капель сателлитов (Б) (по Я. Гегузину /8/). |
|
Процесс образования капли далеко не так прост, как кажется. Его удалось восстановить, только использовав киносъемку. Набухающая капля увеличивает свой объем, постепенно достигает предельной для данной трещины кривизны (рис. 58). Выходя из трещины, она образует тонкую перемычку, затем отрывается от нее и падает. Перемычка же меняет форму, постепенно превращаясь во вторую каплю меньших размеров. Судьба ее неожиданна: она не летит за большой каплей, а как бы подскакивает вверх, поглощаясь трещиной. Если приток воды из трещины сравнительно большой, то из перемычки образуется множество капель-сателлитов.
Расчеты свидетельствуют, что маленькие капли летят со скоростью, пропорциональной квадрату их радиуса (около 1 м/с), а крупные - до 10 м/с. Сопротивление воздуха расплющивает их - плоская лепешка, надутая воздухом, становится подобной парашюту. Образующая его "пленка" в конце концов прокалывается воздушной струей и распадается на более мелкие капли. Если диаметр капель недостаточен для парашютирования, они начинают вибрировать - менять форму от сферической до эллипсоидальной. Это влияет на отражение света: капля смотрится то темной, то светлой, а на фотографии возникает "пунктир".
Движение капель происходит равноускоренно. По формуле S = gt2/2 легко рассчитать, что при скорости скапывания 0,1 с расстояние между двумя смежными каплями через 0,1 с будет 5 см, а через 1с - уже 93,1 см... Именно это является причиной образования капель из струй, вытекающих из полностью заполненных водой трещин.
Поведение капель в полете помогло разгадать еще одну загадку. В шахтах массива Алек впервые было отмечено, что температура воды в верхней и нижней частях 40-50-метровых каскадов различается на несколько десятых долей градуса. Причем увеличение температуры происходит не при стекании, а в свободном полете. Вода имеет вязкость, поэтому при переходе к более "экономной" сферической форме часть освободившейся энергии расходуется на нагрев капель.
Что же происходит при ударе капли о преграду? Конечный результат ясен: каждый спелеолог видел эгутационные ямки, выдолбленные в скале или в натеке капающей водой. Но какова кинематика этого процесса? Почему "капля камень долбит"? При столкновении капли с преградой она испытывает на себе гидродинамический удар: через нее в противоположном падению направлении распространяется волна торможения (наш современный мир подсказывает аналогию - внезапная остановка у светофора распространяется на все автомашины в пределах квартала). Использовав закон Ньютона (сила есть произведение массы на ускорение), легко определить давление, развиваемое в момент удара,- до 100 кг/см2... Его вполне достаточно для разрушения породы, поворота песчинок и косточек, на которых нарастают слои кальцита, образуя пещерный жемчуг.
Регулярно падающие из отдельной обводненной трещины капли - классический пример упорядоченной во времени динамической системы. Однако она легко переходит в неупорядоченную - хаотическую. Если скорость поступления воды из трещины мала, то образование и отрыв капель происходят очень медленно и распадаются на два процесса. Набухающая капля начинает совершать колебательные движения вверх-вниз, а отрыв ее от перемычки происходит в любой момент времени. Оставшаяся часть капли, втянувшись обратно в трещину, начинает колебаться внутри нее с амплитудой, зависящей от притока воды. Взаимодействие между ними и порождает хаотический процесс.
В пещерах часто наблюдается пространственно-временной хаос, выражающийся в неупорядоченной капели с плоских потолков, на первый взгляд не связанной с трещинным водопритоком. Механизм его довольно прост: капли, образующиеся на потолке, "подпитываются" из трещин за счет образования тонкой пленки воды. Капля, образующаяся в каком-либо месте потолка в результате случайных причин, начинает расти благодаря перетеканию воды от ближайших капель. Рост выделившейся капли ведет к подавлению других. Этот нелинейный процесс повторяется в разных точках поверхности, создавая хаотическую картину падения капель.
Реальная картина формирования капель на плоских поверхностях и их последующего стекания по стенам пещер осложняется влиянием сил адгезии (прилипания). Рассмотрим простейший случай - стекание капли воды по наклонной стене. Здесь все происходит почти так же, как при скольжении твердого кубика по гладкой поверхности,- действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения. Любой участок жидкости, контактирующий с поверхностью, со временем оказывается перед необходимостью оторваться от нее. Положение и размеры капли определяются значениями поверхностных натяжений на границах раздела фаз: жидкость - воздух (ж-в), жидкость - порода (ж-п) и порода - воздух (п-в), которые воздействуют на нее, подобно лебедю, раку и щуке. "Щука" (ж-п) стремится сократить площадь контакта жидкости с породой, препятствуя растеканию и способствуя образованию сферической поверхности капли; "рак" (п-в), напротив, стремится увеличить площадь этого контакта, а "лебедь" (ж-в), как и положено, "тянет" вверх, действуя на каплю под углом к поверхности контакта и помогая то "щуке", то "раку". В результате этого взаимодействия скатываться по поверхности начинают лишь капли, достигшие диаметра 4 мм... Но капля воды не твердый кубик. И перемещается она подобно гусенице: в тыльной части капли вода отрывается от поверхности и перетекает в лобовую часть.
Но стены пещер далеки от абсолютно гладкой поверхности. Они обладают шероховатостью, которая меняет угол скатывания капель. Наличие продольных и поперечных бороздок способствует растеканию воды. Она объединяется в струйки, которые движутся не прямолинейно, а по извилистому пути, "выбирая" наиболее подходящую дорогу. Порой, кажется, что вода движется случайно. На самом деле процесс закономерен: выступы препятствуют, а выемки и борозды способствуют растеканию воды. Если вода движется не отдельными струйками, а тонким слоем, ее поверхность как бы покрыта муаром интерферирующих волн.
Движение воды в виде капель и струй под землей изучено слабо. Это "ничейная зона", не попадающая в поле зрения гидрогеолога, карстолога и минералога. А между тем именно с ней связано образование многих форм микрорельефа пещер, являющихся великолепной иллюстрацией самоорганизации неживой материи, изучением которой начала заниматься новая наука - синергетика. Переход от порядка к хаосу и от хаоса к порядку в пещерах осуществляется в самых разных формах: если движение воды - это динамический процесс, то осаждение карбонатного материала с образованием различных отложений - спелеотем - это переход к статике. Об их особенностях мы поговорим позже.
Поверхность озер породила ряд поэтических сравнений: зеркальная, гладкая, спокойная, вечная... Ни один из этих эпитетов не применим к карстовым озерам. Много интересного можно рассказать об исчезающих озерах севера России или о польях Словении, днища которых за несколько часов затапливаются водой и столь же быстро осушаются.
Но вернемся под землю... Капель и струйки гравитационной воды, стекая по стенам, образуют на дне пещер подземные озера. Согласно классификации Г. А. Максимовича они могут иметь коррозионно-котловинное, аккумулятивно-котловинное, плотинное или сифонное происхождение. Котловинные озера в основном "подвешенные", располагающиеся выше уровня подземных вод. Образуются они за счет растворяющей деятельности воды или в результате накопления на дне пещеры песчано-глинистых отложений. Пополняются они во время паводков и, так как под землей почти нет испарения, имеют слабо меняющиеся уровни, которые иногда фиксируются красивыми оторочками кальцита. Они могут терять воду, которая уходит в трещины, открывающиеся после землетрясений (пещера Домбровского в Крыму), или прорывают пробку глины на дне (шахта Эмине-Баир-Хосар). Тогда только по остаткам оторочек на стенах залов можно сказать, что здесь некогда была вода. Объем таких озер невелик и редко превышает первые сотни кубических метров.
Подвешенные озера часто являются существенным препятствием для спелеологов. Яркое описание борьбы с таким озером в шахте В. Пантюхина на Бзыбском массиве дал И. Вольский /6/: "Ход расширяется и заканчивается небольшим озерком на дне. В него втекает тонкая струйка воды. Ага! Значит, она должна вытекать где-то там, за стеной. Сажусь в озеро, которое мгновенно мутнеет, так как чистой воды в нем тонкий слой - ниже мягкая глина. Толкаю ноги под стену. Получается засунуть только до колен. Пробую прокопать для себя канаву в этом месиве. Понемногу выходит. Свод, под который я пытаюсь проникнуть, примерно на полметра ниже уровня озера. Через четверть часа подобной возни я уже почти весь залез ногами вперед под свод. Жижа подступила к лицу, набираю воздуха, закрыл рот и снова вперед, вперед... Решающий рывок - и я отфыркиваюсь на той стороне глиняного сифона". Отважное прохождение Игоря Вольского позволило преодолеть рубеж 600 м, а затем выйти на максимальную в бывшем СССР отметку - 1508 м.
Плотинные озера возникают в руслах подземных рек у скоплений обрушившихся со сводов камней или у натечных плотин, вырастающих в потоке при ритмичном отложении карбоната кальция. С серией из нескольких десятков таких озер, разделенных двухметровыми плотинами, в 60-е гг. мы столкнулись при исследовании Красной пещеры. Такие озера обычно существуют довольно долго и исчезают, только если река пропиливает или прорывает плотину. Их объемы также невелики (100-500 м3).
Самые удивительные и опасные для спелеолога - сифонные озера, заполняющие U-образные каналы неизвестной глубины и протяженности. Встретив сифонное озеро, спелеолог решает нелегкую задачу: что за ним? Вариантов здесь два: или это "подвешенный" сифон, преодолев который можно вести исследование дальше (именно так были открыты продолжения в сотнях пещер и шахт мира); или это "люк", ведущий в подвальные этажи карстовой системы, полностью заполненные водой и никогда от нее не освобождающиеся (тогда единственный шанс продолжить работу - использовать акваланг, о чем мы рассказывали в гл. 4).
Решить эту проблему иногда помогают наблюдения за поведением сифонного озера. В ближней части Красной пещеры, в каких-то 50 м от входа, есть удивительный канал, резко выделяющийся чистотой своих стенок от покрытых глиной каналов в стенах второго этажа пещеры. Было ясно, что в паводок из этого канала вытекает вода. Но действительность оказалась более загадочной: вода заполняет канал только в первый (не обязательно самый большой) паводок... Разливаясь по полу галереи, она образует временное озеро, которое частью стекает на первый этаж, частью с бульканьем уходит обратно. Разгадка оказалась простой: метрах в пяти ниже, зажатый между двумя водяными пробками, находится небольшой зал. В начале первого в этом году паводка воздух в нем сжимается и "выстреливает" водой, как стреляет пробкой детский пистолет-пугач. Вторично воздух попадает в зал только в летнюю межень. Такое периодическое подтопление - довольно редкий и сравнительно безопасный случай.
Значительно опаснее подъем уровня карстовых вод, при котором затапливаются все (или почти все) ходы пещер. Исследования Скельской пещеры (Крым, рис. 9) показали, что при наложении дождей на снеготаяние уровень подземных озер в ней поднимается на 45 м и из входа в пещеру вырывается бурный поток. Классическим стал пример подтопления карстовой системы Шкоциан-Тимаво в Словении. Река Нотранська поглощается провальными воронками и поступает в Шкоцианску пещеру. Пройдя по ней 2,5 км, она уходит в сифон, а затем прослеживается во вскрытой пещере Качна Яма и в шахте Лабодница, выходя через 50 км в подводном источнике Тимаво близ Триеста. Вследствие ограниченной пропускной способности сифонов уровень воды во всех трех полостях испытывает резкие колебания: в Шкоциане до 94 м (1826 г.), в Качной Яме и Лабоднице - до 117 м (1965 г.). Паводок 1965 года прошел во время IV Международного спелеологического конгресса, и его участники, посетив Шкоциан через 10 дней, могли оценить последствия - размытые и занесенные илом пешеходные дорожки, бревна, застрявшие в 30-40 метрах над ними, разбитые прожектора... Горе тем, кто находится в это время под землей.
Именно в такой ситуации оказалась в августе 1988 г. группа крымских спелеологов в шахте Пантюхина. Спустившись до дна, они при подъеме оказались запертыми водой в тупиковом Крымском ходе. Подъем воды продолжался 12 часов, тремя волнами со скоростью от 0,22 м/мин (в начале) до 0,02 м/мин (в конце паводка); затем ее уровень на протяжении 23 часов оставался практически постоянным (колебания 1-2 см). Все это время спелеологи провели в куполе последнего, самого верхнего зала... Это был как бы водолазный колокол, избыточное давление в котором, по ощущениям Е. Сандрова, работавшего водолазом, достигало 5 атмосфер. Позднее это подтвердилось и данными основной группы: пещера была затоплена на 50 м выше кровли зала... В эти тяжелые часы характер каждого проявлялся по-разному. Евгений Очкин как руководитель группы подбадривал ребят, а как врач - контролировал их состояние; флегматичный Евгений Сандров дремал; обычно жизнерадостная Галина Шемонаева грустила, думая о своей маленькой дочери; Василий Ерастов вел наблюдения, фиксируя время и высоту подъема воды, а также все сопутствующие ему явления ("вжимание" небольшого сифонного озера, звуки переливающейся где-то в недрах гигантской системы воды, свист воздуха, уходящего в немедленно заделанные глиной щели...). К счастью, воздуха им хватило. Еще около суток спелеологи спускались до развилки вслед за отступающей водой, пока не вырвались из заключения. Быстро поднявшись по главному ходу, они успели отменить по телефону (а с поверхности - по радио) вылет спасательного отряда, сформированного из лучших спелеологов Крыма. Этот уникальный случай свидетельствует, как опасны исследования сложных карстовых систем и какой непомерно высокой может быть цена спортивных достижений и научных открытий...
Еще более удивительная пещера известна во Франции. Это знаменитая Луир на массиве Веркор, сложенном меловыми известняками, смятыми в пологую синклинальную складку. Вход в пещеру расположен в борту долины, выработанной по оси складки. Она начинается стометровой галереей, в конце которой располагается каскад колодцев общей глубиной 200 м. Из них можно попасть в два объемных лабиринта (рис. 59).
| Рис. 59. Затопление пещеры Луир, Франция (по П. Гарнье, 1990). |
| А - план, Б - разрез, В - положение системы в массиве Веркор. А - галереи пещеры, Б - направления движения воды в межень; уровни воды: В - в межень, Г - в паводок; постоянные источники: 1 - Арбуа; периодические источники: 2 - Бурнийон, 3 - сифон Арбуа, 4 - Луир |
 |
Протяженность пещеры 20,6 км, амплитуда 547 м (+25... -451 м). Ее питание осуществляется с бортов синклинали, представляющих собой горные хребты высотой 800-1800 м. В межень в пещере известны только отдельные, не связанные между собой потоки с расходами до 3 м3/с. В паводок вся система постепенно затапливается (темп подъема воды 12-22 м/час); нижняя часть (-200...-451 м от входа) - ежегодно, верхняя (-40...-200 м) - один раз в два-три года. Во время весеннего или зимнего снеготаяния происходит излияние воды из входа. За 100 лет оно наблюдалось 18 раз: в 1887, 1892, 1896, 1902, 1935, 1951, 1956, 1959, 1968, 1969 (три раза!), 1973, 1982, 1983, 1984, 1986 и 1990 гг. Продолжительность излияния составляла 2-6, реже - 20-48 часов. Разгрузка подземных вод происходит в 15 км от входа, на склоне массива, через пещеры-источники Бурнийон и Арбуа. Между пещерой и источниками имеются связи, доказанные опытами с окрашиванием воды. Об очень хорошей проницаемости массива свидетельствует высокая скорость движения красителя (до 9,5 км/сут) и быстрое увеличение расхода источников (от 0 до 50 м3/с за 15 минут!).
Исследования системы Луир-Бурнийон - это своеобразная "спелеологическая рулетка". Чтобы хоть немного обезопасить работы в объемных лабиринтах, входные колодцы пещеры оборудованы постоянными лестницами. Но надо еще успеть добраться до них... Особенно опасны спелеоподводные исследования источников на склонах. Несмотря на это, и здесь пройдены довольно крупные сифоны (в Бурнийоне 200/-40 и 270/-17, в Арбуа - 605/-10). Емкость системы в паводок превышает 12 миллионов м3. На основании ее исследований А. Манжен предложил новый расчетный метод определения расхода турбулентного потока в закарстованных известняках.
Пещерные озера, возникающие на уровне карстовых вод, иногда имеют огромные размеры, достигая 1-2 гектаров (рис. 35).
В своем стремлении проникнуть как можно глубже в недра земли спелеолог неизбежно выходит к подземным водотокам, которые свободно текут между каменными стенами или полностью заполняют округлые каналы-сифоны. Знание их особенностей необходимо и карстологу, и спортсмену. Без него не ответить на бесчисленные "почему", возникающие при изучении карста.
Прежде всего, каковы параметры подземных потоков? На заре спелеологии своеобразным порогом был расход в десятки литров в секунду. Если он превышал два ведра (примерно 20 л/с), то исследования считались невозможными. Шли годы. Менялись снаряжение, техника и тактика, и в конце XX в. зародилось новое направление: работа при расходах подземных потоков сотни м3/с... Именно такие расходы имеют в малую воду подземные реки, обнаруженные в Индонезии, Малайзии, Папуа-Новой Гвинее.
Второй параметр - скорость течения. Следует различать среднюю и местную скорости. Средняя скорость характеризует подземный водоток на всем его протяжении и определяется с помощью запуска красителя или использования других способов индикации. По данным более тысячи экспериментов, в разных районах мира она составляет 2,5 км/сут (0,03 м/с). Максимальная средняя скорость, полученная в массиве Пинаргезю в Турции, почти на два порядка выше - 155 км/сут. (1,3 м/с). Отдельные замеры, выполненные в основном в пещерах Европы, дают максимальные значения местной скорости до 10 м/с (по правилам горного туризма преодолевать водные преграды можно только при скоростях движения воды до 1 м/с...). Но спелеологу надо не просто преодолеть поток, но работать в нем.
Скорости, рассмотренные выше, это те, с которыми движется отдельная частица воды, проходящая путь от точки А до точки Б. Но ведь в воде могут возникать и волны... Проделаем простой мысленный эксперимент: возьмем заполненную водой 600-метровую трубу с двумя закрытыми вентилями на концах. Откроем их и посмотрим, как скоро придет в движение вода у вентиля Б. Это произойдет после "добегания" звуковой волны, которая распространяется в воде со скоростью примерно 1,5 км/с. Проделав простой расчет (t = 0,6/1,5), получим, что это произойдет практически мгновенно (через 0,4 с). А вот краска, запущенная у вентиля А, при средней скорости движения воды в трубе 0,03 м/с появится у вентиля Б через 20 тыс. секунд (5,5 часа). Именно комбинация этих двух процессов, осложненных местными условиями (пещера - это не труба), определяет удивительное поведение карстовых источников, связанных с сифонными системами.
Следующий очень важный вопрос: как движется вода. Давно известно, что имеются ламинарные и турбулентные потоки. При ламинарном движении струйки жидкости движутся строго в одном направлении, очень экономно расходуя свою энергию; при турбулентном - они пересекаются, быстро теряя энергию. Английский гидродинамик О. Рейнольдс еще в 60-е гг. XIX в. предложил специальный критерий для их разделения. Он дал им такую образную характеристику: "Жидкость можно уподобить отряду воинов, ламинарное течение - монолитному походному строю, турбулентное - беспорядочному движению. Скорость жидкости и диаметр трубы - это скорость и величина отряда, вязкость - дисциплина, а плотность - вооружение. Чем больше отряд, быстрее его движение и тяжелее вооружение, тем раньше распадется строй. Турбулентное движение возникает в жидкости тем быстрее, чем выше ее плотность, меньше вязкость, больше скорость и диаметр трубы". В карстовых полостях происходит непрерывная смена видов движения: и в пространстве (вниз по течению реки), и во времени (в высокую и малую воду). Это создает большие трудности при практических расчетах, так как ламинарное и турбулентное движения описывают разные уравнения гидродинамики.
Следующая особенность движения подземных вод - неразрывность потока, обоснованная еще в XVIII в. Д. Бернулли. Генеральная идея очень проста: если какой-то неизменный объем жидкости перемещается по трубе с расширениями или сужениями, то он должен двигаться с разной скоростью: быстрее - в сужениях, медленнее - в расширениях. Облеченный в строгую математическую форму (сумма энергий давления, положения и кинетической в любом поперечном сечении постоянна), он стал мощным оружием в руках гидрологов и гидрогеологов. С его помощью удалось объяснить множество прихотей движущейся воды, этого "мира без форм".
В спелеологии критерий Рейнольдса и уравнение Бернулли определяют морфологию образующихся полостей, характер их поверхностей, особенности размыва стенок, переноса и отложения твердых частиц и многое-многое другое. Далеко не все загадки подземного мира еще разгаданы. Одна из них - "холодное кипение".
...Весной 1915 г. в Атлантический океан вышел новый английский миноносец "Деринг". По проекту скорость его должна была вдвое превышать достигнутую ранее. Машины работали на максимальных оборотах, корабль дрожал, вода за кормой кипела, а скорость не увеличивалась. На базу он вернулся с изуродованными непонятными углублениями гребными винтами. Так ученые впервые столкнулись с кавитацией (от латинского
Физика процесса кавитации довольно проста. Вода при обычном давлении (1 атм.) кипит при 100 °С. Но если понизить давление до 0,006-0,043 атм., то кипение возможно в диапазоне температур 0-30 °С. На поверхности обтекаемых движущейся водой или движущихся в ней предметов образуются каверны - пузырьки, наполненные парами воды. Образуясь в зоне пониженного давления и исчезая (конденсируясь, растворяясь) там, где давление выше, пузырьки меняют характер течения, вызывая большие потери энергии, шум и кавитационную эрозию обтекаемых поверхностей. Особенно агрессивны пузырьки в момент исчезновения ("схлопывания"), которое происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырек, с огромной скоростью устремляются в освободившееся пространство, ударяясь друг о друга. На этих участках давление повышается до 100 тысяч атм. Исчезновение пузырьков напоминает взрыв микроскопической мины. Если обтекаемые поверхности могут растворяться, то возникает кавитационная коррозия: парциальное давление СО2 в пузырьках воздуха, растворенных в воде, выше, чем в атмосфере.
Кавитация наблюдается на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, турбин, насосов, в водоводных тоннелях электростанций. Опыты показали, что для ее возникновения нужны скорости потока более 6 м/с. Но ведь в пещерах отмечены местные скорости до 10 м/с! Так возникает самовозбуждающийся процесс: сперва начинается кавитационная коррозия, затем зарождаются микровпадины и гребешки, усиливающие ее. Возможна кавитация и при падении капель воды. Фотосъемка со скоростью 1000 кадров в секунду показала, что в момент "приземления" капля сперва сплющивается, а затем растекается со скоростью, достаточной для возникновения кавитации.
В последние годы выяснилось, что кавитация может возникать и при отсутствии движения. Если в жидкости, омывающей неподвижные поверхности, вследствие сейсмических или иных причин возникают ультразвуковые волны, то во впадинах формируются пузырьки газа, исчезающие на гребнях. Сильная кавитация отмечена также в морских пещерах, находящихся в зоне прибоя, а также - во фреатических полостях при движении воды через каналы, разделенные перемычками. Так что спелеолог, не подозревая об этом, не раз сталкивается с проявлениями кавитации.
Итак, мы кратко рассмотрели некоторые особенности поведения парообразной и капельно-жидкой воды под землей. О воде в твердой фазе (лед) поговорим дальше. А сейчас попробуем подвести некоторые итоги.
Гидрогеология как самостоятельная наука сложилась в начале XX в., в основном на основе изучения закономерностей ламинарного движения в поровых средах (песок). В середине XX в. в ней выделилось направление, посвященное трещинным коллекторам, в которых часто наблюдается турбулентное движение. В конце XX в., в связи с хозяйственным освоением закарстованных территорий и развитием спелеологии, начала складываться гидрогеология карста. По аналогии хотелось бы сказать, что это раздел, посвященный каверновым коллекторам с турбулентным движением, но это будет ошибкой. В природе все много сложнее.
На рис. 60 объединены две треугольные диаграммы, предложенные американским геологом Т. Аткинсоном. Принципы их построения очень просты: основания равностороннего треугольника отвечают 0%, жирные линии - 25%, вершины - 100% количеств данного признака. Так выделяются поля поровых (П), трещинных (Т), каверновых (К), смешанных двойных (ТП, КП, КТ) и тройных (КТП) коллекторов. Штриховка соответствует трем формам движения воды в них: турбулентной (1), ламинарной (2) и смешанной (3). Следовательно, если мы имеем дело с карстом, где в разных соотношениях встречаются К, Т, П, КТ, КП, ТП и КТП-коллекторы, то в нем должны иметь место в основном турбулентное и смешанное движения воды.
| Рис. 60. Комбинированная диаграмма для определения типа коллекторов и видов движения карстовых вод (по Т. Аткинсону, 1985, переработано автором). |
| Коллекторы: К - каверновые, Т - трещиноватые, П - пороговые, ТК,КП,ТП,КТП - смешанные; Движение карстовых вод: 1 - ламинарный, 2 - турбулентный, 3 - смешанный |
 |
Несмотря на обилие работ, посвященных гидрогеологии карста, это все еще "наука будущего". Необходимо найти теоретические решения и разработать расчетные характеристики, дающие ответы на ряд нерешенных вопросов. С позиций гидрогеолога любой горный массив - "черный ящик", о процессах, происходящих внутри которого, можно лишь догадываться по реакциям, наблюдаемым на входе (в области питания) и на выходе (в области разгрузки). Карстовый массив, являясь очень трудным объектом для исследований, в то же время обладает ценным свойством - он доступен для спелеологических исследований. Изучение гидрологического компонента подземного ландшафта спелеологическими методами в комбинации с набором классических гидрогеологических методов открывает путь к новым открытиям и неожиданным решениям.
Крым
Книги
Занимательная спелеология
Глава 8