Современное состояние и охрана карстовых полостей территорий Краснодарского края

Микроклимат пещер уникален. Нарушение системы входов в пещеру может в корне изменить его свойства. Поэтому надо уделить особое внимание привходовой части пещеры.

Основными факторами, определяющими климат пещер, являются:

1) климат той местности, где расположена пещера;

2) форма полости, определяющая характер циркуляции воздушных потоков в ней;

3) геотермическое состояние массива, в котором заложена полость;

характер циркуляции водных потоков в полости;

4) количество попадающих в полость атмосферных осадков (преимущественно твердых).

Рассмотрим влияния этих факторов на климатическое состояние пещер. Внешний для пещер климат определяется географическим положением местности, ее высотой над уровнем моря. Характером проходящих над ней влагонесущих потоков, удаленностью от моря и др.

Наиболее важными характеристиками внешнего климат, которое влияет на формирование климата пещер, являются температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление. При этом в местностях с холодным климатом температура воздуха в пещере  ниже, чем в районах с теплым климатом. В пещерах южного склона Большого Кавказа отмечена среднегодовая температура воздуха до 12º С. Сильные ветры, дующие во вход небольших пещер, способствуют приближению их климата к внешнему. Резкие изменения атмосферного давления приводят к появлению ветра в пещеру или из нее.

Наиболее важным агентом передачи составляющих внешнего климата в глубину пещер является перемещение воздушных масс. В основном движение воздуха в полостях зависит от формы полости. Различают два главных механизма движения воздуха в пещерах.

1. В полостях с несколькими входами на разных высотных уровнях возникает движение воздуха за счет разницы веса столба воздуха у входов. При этом зимой происходит движение воздуха от нижних входов к верхним, а летом – от верхних к нижним ; переключение тяги происходит при переходе значений температуры внешнего воздуха  через граничное значение, равное в срединной зоне пещеры (называемой иногда центральной зоной) [10].

2. В наклонных полостях происходит движение воздуха за счет разности его плотности в различных частях пещеры. В наклонных нисходящих пещерах холодный внешний воздух зимой вытесняет более теплый пещерный воздух; в наклонных восходящих пещерах теплый восходящий воздух летом вытесняет более холодный пещерный воздух [18]; выключение тяги в пещерах в обоих случаях происходит тогда, когда температура на поверхности равна температуре пещеры [10],[22]. Движение воздуха в пещерах может происходить так же при задувании ветра, засасывающем движение воды в пещере, изменении атмосферного давления вне пещеры. [10], [24].

Обводненность сильно влияет на климатическую ситуацию в пещерах. Поскольку теплоемкость воды примерно в 30 раз выше, чем теплоемкость воздуха, то понятно, что действие воды на климат пещер интенсивное движение воздуха на него. Во многих европейских пещерах в низкогорье и среднегорье действие воды приводит к выравниванию температуры пещеры и температуры внешней поверхности. В то же время для горных пещер, питающихся большую часть года талыми водами снежников, характерно понижение температуры пещеры по отношению к температуре внешней поверхности [23],[24]. Питание пещер термальными водами приводит к превышению температуры пещеры над температурой внешней поверхности (Бахарденская пещера в Туркмении). Сезонное поступление воды в пещеры (весенние паводки) ведет к отеплению холодных и охлаждению теплых зон пещер.

Воздействие атмосферных осадков на климат пещер происходит в основном в привходовых частях полостей, куда осадки могут попасть. Твердые осадки, накапливаясь в пещерах, являются одним из источников холода и охлаждают климат привходовых частей. Жидкие осадки, как правило, приурочены к теплому времени года и отепляют климат пещер.

Рассмотрим естественные климатические системы типичных (необводненных) полостей: «горизонтальных» (под ними имеется в виду пещеры с входами на разных высотных уровнях) и наклонных мешкообразных с одним входом. Второй тип может быть разделен на два подтипа: пещеры с входом в верхней части и с входом в нижней части пещеры. Климатические системы пещер другой морфологии могут быть сведены к одному из перечисленных типов или к их сочетанию.

Воронцовская система пещер относится к группе динамических полостей и насчитывает 14 известных сейчас входов, расположенных на разной высоте над уровнем моря (амплитуда до 240 м) и имеющих значительные размеры поперечных сечений (до 200 кв. м). Поэтому микроклиматические условия пещеры  весьма  разнообразны и изменчивы на разных её участках. В теплый период года отмечается нисходящая тяга воздуха, в холодный – восходящая.

Средний расход воздушного потока через Воронцовскую пещеру составляет 10,5 куб. м/сек. На протяжении года эти величины испытывают значительные колебания (от 3 куб. м/сек в апреле до 15 куб. м/сек в июле). Коэффициент воздухообмена (соотношение суточного объема воздуха, проходящего через пещеру в сутки, к объему пещеры).

Воздух привходовой части пещеры не отличается по своему составу от атмосферного. Однако исследования последних лет показали рост уровня содержания радиоактивного газа радона в полостях Воронцовской пещеры, о чем будет сказано более подробно в конце этой главы.

Колебания температуры воздуха в привходовых частях имеют очень сложный характер. В теплый период года (июнь-сентябрь) температура воздуха под землей ниже, чем на поверхности. На расстоянии 30-50 м от входа она резко снижается (на 2 – 10º). В холодный период (октябрь-май) температура воздуха под землей обычно выше, чем на поверхности. Эти данные подтверждаются и исследованиями последних лет.

Годовая амплитуда колебаний абсолютной влажности воздуха в привходовой части изменяется от 4 до 10 мм рт. ст. Относительная влажность воздуха испытывает значительные колебания (86-100 %). В теплый период в привходовой зоне наблюдается плавное снижение влажности (средний градиент 0,3 мм рт. ст/100м), а в холодный - отмечается её увеличение (с градиентом +0,4 мм рт. ст./100м).

Благоустройство южной части Воронцовской пещеры на участке Прометей-Пантеон и использование её в экскурсионных целях практически не повлияло на микроклиматические условия пещеры и её гидрологический режим ввиду особенностей устройства этой части пещеры и мощности происходящих здесь природных процессов.

Экспедиционные исследования Санкт-Петербургского горного института, проводимые в течение 3 лет установили  в Воронцовской пещере существенное увеличение объемной активности радона (ОАР), начиная с 2001г. Так, средний показатель ОАР для Воронцовской спелеосистемы в 1999г. составлял 113 Бк/куб. м, а в 2001г. уже 1743 Бк/куб. м (рост на порядок). Повышенная ОАР отмечается и на экскурсионном маршруте: 690 Бк/куб. м в Эстрадном зале, 1560 Бк/куб. м в ходе Теплом, на других участка, удаленных от входов, выше 1000 Бк/куб. м.

В связи с большими объемами пещеры и хорошей её проветриваемостью даже значительное количество радона не может представлять какой-либо опасности для посетителей пещеры, но нужно, бесспорно, продолжить ряд наблюдений, определить фоновые значения, отследить и проанализировать динамику процесса.

Повышение количества выделяющегося радона может свидетельствовать, в том числе и о росте потенциальной сейсмической опасности в регионе, т.к. в этом районе имеются долгоживущие активные глубинные разломы (Воронцовский надвиг, Монастырский разлом). Это одно из самых сейсмоактивных мест в Сочи – за сутки временная передвижная сейсмостанция «Воронцовка» Института физики Земли РАН, установленная на Воронцовском приюте в 1997 г., регистрировала 4-5 слабых толчков.

Сочи как сейсмически активный район нуждается в разработке и внедрении программы сейсмического мониторинга с постановкой сетевых сейсмических наблюдений, при которых параллельное изучение содержания радиоактивного газа радона под землей может помочь в решении вопроса краткосрочного прогноза землетрясений.

Кроме того, радон в значительных концентрациях - один из наиболее токсичных и опасных радиоактивных веществ. Поэтому исследования его в Воронцовской пещере должны быть продолжены с целью подтверждения и уточнения полученных данных, а также дальнейшего учета ситуации.

При эксплуатации пещеры важно иметь в виду, что Воронцовский карстовый массив является внешней областью питания Сочи-Мацестинского месторождения сульфидных вод и 2-ой зоной санитарной охраны месторождения, и нуждается в особой охране.

2.3 Гидрологические и гидрогеологические наблюдения

Пещерами называют разнообразные подземные полости, образующиеся в карстовых областях, и имеющие один или несколько выходов на поверхность. Заложение пещер и их топография предопределяются расположением систем трещин, пронизывающих карстующуюся породу, гидрологическими и гидрогеологическими особенностями карстовых областей.

Образование пещер связано с растворяющей деятельностью воды, проникающей в трещины. Расширяя трещины, вода создает в толще породы сложную систему каналов. В зоне горизонтальной циркуляции, где вода производит наибольший растворяющий эффект, образуется магистральный канал, который постепенно расширяется за счет соседних небольших трещин и стягивает воды из смежных каналов. Так постепенно формируется подводная река. Но при расширении новых трещин и частичной закупорке старых каналов принесенным с поверхности обломочным материалом или вследствие обрушения сводов река может проложить себе новый подземный путь стока, а прежние галереи становятся сухими.

Пещера может иметь лишь одно входное отверстие. На противоположном конце она будет заканчиваться либо системой счета узких ходов и трещин, либо обвальными или натечными образованиями, закупоривающими ее. Такие пещеры называют слепыми. Возможны пещеры с выходами с двух сторон – это проходные пещеры.

Во многих пещерах на днищах, стенках или сводах образуются натечные формы. С потолка свешиваются в виде сосулек узкие и длинные сталактиты, состоящие из кальцита и в разрезе обычно имеющие концентрическое строение. Удивительное великолепие сталактитов можно увидеть в Большой Азишской пещере (рис. 4).

Рисунок 4 – Сталактиты в Большой Азишской пещере. Фото Шулякова Д.Ю.

Со дна пещеры, навстречу сталактитам поднимаются более массивные и короткие формы, называемые сталагмитами. Их можно увидеть на охраняемых территориях Краснодарского края – пещерах Большой Азишской и Воронцовской (рис. 5).

Рисунок 5 – Сталагмиты в Воронцовской пещере. Фото автора.2010 г.

Натечные формы образуются не в каждой пещере. В глубоко расположенных пещерах натечные формы часто не возникают, так как вода теряет растворенный в ней бикарбонат кальция еще ранее, в более высоких пещерных горизонтах. Наличие подземных рек и озер также нередко препятствует возникновению натечных образований, так как при этом возможны большие периодические подъемы уровня воды, при которых вся пещера оказывается заполненной водой.

Нередко сталактиты и сталагмиты срастаются и образуют, натечные колонны их еще называют сталагнаты. Они имеют, разую длину и ширину, что дает возможность по ним изучить возраст пещер. Близко расположенные сталактиты, сливаясь, создают натечные занавеси. Стены пещер бывают также покрыты натеками из кальцита. Очень красивые сталактиты, сталагмиты и сталагнаты представляются взору человека в одной из самых красивейшей пещере - Большой Азишской (рис.6).

Рисунок 6 – Сталактиты и колонны в Большой Азишской пещере. Фото Шулякова Д.Ю.

Подземная циркуляция, то есть гидрологические условия, имеют важнейшее значение для развития карстового процесса. В каждой карстовой области можно выделить три этажа, или зоны, различающиеся по гидрогеологическому режиму. Верхняя зона охватывает толщу породы от ее выхода на поверхность до зеркала грунтовых вод. Это зона аэрации, или зона вертикальной циркуляции. Здесь преобладает свободное гравитационное движение воды, происходящее периодически, во время дождей или таяния снега.

Следующая зона получила название зоны периодически полного насыщения. Здесь совершаются резкие колебания уровня подземных вод, связанные прежде всего с периодическим поступлением воды с поверхности. Циркуляция воды в этой зоне близка к горизонтальной, но может происходить и с большим уклоном водной поверхности у края карстовой области. Зону периодически полного насыщения многие исследователи [7], [12], [18], [28], [31] рассматривают как наиболее активную в отношении глубинного карстообразования, в частности пещерообразования. Границы ее – наивысший и наинизший уровни грунтовых вод.

Нижняя зона – зона постоянного полного насыщения. Верхняя ее граница – наинизший уровень зеркала грунтовых вод, нижняя – водоупорный горизонт. Циркуляция здесь преимущественно горизонтальная. По окраинам карстовой области эта зона дает начало рекам, карстовым источникам, через которые происходит разгрузка подземных вод на земную поверхность.

Положение зон в карстующихся массивах зависит от ряда причин: мощности карстующихся пород и их трещиноватости; расчлененности рельефа карстовых областей и глубины вреза речных долин; наличия в составе карстующихся пород прослоек или линз нерастворимых глинистых пород, которые могут служить водоупорными горизонтами, способствующими образованию верховодки – временному или сезонному скоплению подземных вод в зоне аэрации.

Различие гидрологических условий зон карстовых массивов сказывается на характере источников карстовых областей. Так, зоны аэрации характерны временные источники, фукционирующие в период поступления воды с поверхности во время дождей или весеннего снеготаяния. Источники зоны периодического насыщения тоже временные, но они мощнее и функционируют более длительное время, чем источники зоны аэрации. С зоной постоянного насыщения связаны постоянные источники, обладающие большим дебитом. Они получили нарицательное название воклюз (по источнику впервые описанному во Франции в районе Воклюз).