Пещеры. Их образование

Однажды летом я впервые оказался в пещере, причём в знаменитой пещере Петралона, расположенной на севере Греции. Эта пещера имеет огромное значение в области антропологии и палеонтологии, - именно здесь, как утверждают греческие учёные, найден скелет древнейшего в Европе человека-неандертальца, проживавшего в Европе более 700 тысяч лет назад. И с тех пор вопрос о колыбели человечества, где же всё-таки зародилось человечество, является спорным, несмотря на многочисленные исследования и собранные доказательства.

Но больше всего эта греческая пещера поразила меня своими размерами и красотой. Здесь я впервые увидел пещерное озеро, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты. Переходя из зала в зал этой пещеры, я думал, как же так получается, что сверху свисают «сосульки» - сталактиты. Почему они имеют такие причудливые формы и не тают? А снизу как деревья растут другие «сосульки» - сталагмиты. Из чего они вырастают, если вокруг камни? Почему не падают? Почему они и твёрдые, и хрупкие одновременно, а на ощупь мокрые? А что, если вырастить сталагмит или сталактит дома и украсить свою комнату? Или такая диковинка может быть полезной в быту?

Вернувшись домой, я решил исследовать этот вопрос. А начинать пришлось с изучения места «обитания» этих удивительных пещерных образований – с самих пещер. Оказалось и здесь много интересного и захватывающего. Первоначальное представление и информация у меня всё-таки были после посещения греческой пещеры. Наш гид очень интересно и подробно рассказывала о той пещере, в которой я был. Но как же рождаются сами пещеры? И почему именно в них, и нигде в другом месте, появляются сталактиты и сталагмиты? Из чего они всё-таки сделаны эти самые сталактиты?

В ходе своего исследования, чтобы решить поставленные задачи, мне предстояло изучить научные статьи и результаты спелеологических исследований. Спелеология - это наука, которая занимается изучением пещер. Кроме того, я решил провести эксперимент по выращиванию сталактита в домашних условиях.

А чтобы понять природу сталактитов и сталагмитов, для начала мне нужно было узнать всё о пещерах - что это такое и как они образуются? Нужную теоретическую информацию я нашёл в энциклопедиях и на сайтах в Интернете.

Пещеры. Их образование.

Пещера – естественная полость в верхней толще земной коры, которая сообщается с поверхностью земли одним или несколькими выходными отверстиями, проходимыми для человека. Наиболее крупные пещеры – это сложные системы проходов и залов, общая протяжённость которых нередко доходит до нескольких десятков километров. Пещеры – объект изучения спелеологии.

Пещеры издавна связаны с историей развития человечества. Ещё в каменную эпоху пещеры спасали людей от зимней стужи. Но и после того, как древние люди перестали использовать пещеры в качестве жилищ, пещеры окружал ореол необычного и странного. Греки верили, что пещеры были храмами их богов – Зевса, Пана, Дионисия и Плутона. В древнем Риме считали, что в пещерах обитают нимфы и колдуньи. Древние персы и другие народы полагали, что в пещерах обитает царь всех земных духов Митрас. В наши дни обширные и прекрасные пещеры привлекают туристов.

В природе не существует двух одинаковых пещер. Образуются пещеры по-разному. Однако все самые большие пещеры в мире образованы аналогично. Некоторые большие пещеры начали создаваться 60 миллионов лет назад. Лили дожди, разливались реки, и монолитные горы медленно разрушались, а внутри холмов, гор и скал возникали большие пустоты (Приложение 1).

Горная порода, в которой возникают пещеры – известняк. Это мягкая порода, она может растворяться слабой кислотой. Кислота, которая разрушает известняк, поступает из дождевой воды. Падающие капли дождя забирают углекислый газ из воздуха и почвы. Этот углекислый газ превращает воду в углекислоту.

Поэтому миллионы лет кислотные дожди поливали известняки. Они постоянно капали на горы, и на них начали появляться трещины. А дожди продолжали лить. Вода струилась, увеличивая трещины. Она находила новые щели в монолите. Трещины расширялись до тоннелей. Тоннели перекрещивались, возникали ниши. Через миллионы лет пещеры приняли свою форму. А вода делала пещеры всё больше и больше.

Некоторые пещеры имеют в потолке отверстия (Приложение 2). Они образовались на том месте, где когда-то скопилась вода, которая затем прорвалась в пещеру. В пещерах можно встретить ряды галерей, идущих одна над другой. По отдельным пещерам протекают потоки воды, в других – после их образования вода уходит вниз, и пещера высыхает.

Пещеры скрываются везде: в горах, просто в каменистой почве, сложенной из мягких горных пород. Пещеры строит не только вода, но и ветер, и морской прибой, и вулканическая лава. Остаются пещеры после добычи каменной соли. Бывают и ледниковые пещеры, только они недолговечны.

Виды пещер.

Пещеры можно разделить по их происхождению на пять групп. Это тектонические, морские, ледниковые, вулканические и, наконец, самая большая и распространённая группа, карстовые пещеры.

Тектонические пещеры могут возникать в любых породах в результате образования тектонических разломов. Как правило, такие пещеры встречаются в бортах глубоко врезанных в плоскогорье речных долин, когда огромные массивы породы откалываются от бортов, образуя трещины (шерлопы), которые в свою очередь обычно клином сходятся с глубиной. Иногда они образуют довольно глубокие вертикальные пещеры до 100 м глубиной. Такой вид пещер широко распространён в Восточной Сибири.

Морские пещеры возникли под воздействием плещущихся волн о каменные утёсы вдоль побережья (Приложение 3). Морские волны, содержащие крупинки твёрдого материала (гальки, мелкого песка) растворяли утёсы. Они разрушались, подтачиваемые из года в год морским прибоем. Отдельные пещеры расположены под водой. Они являются обычно результатом деятельности подземных вод, вымывающих мягкие породы, например, тот же известняк.

Ледниковые пещеры встречаются во многих ледниках и образуются внутри ледников талой водой (Приложение 4). Талые ледниковые воды поглощаются ледником по крупным трещинам или на пересечении трещин. При этом образуются хода, по которым иногда может пройти человек. Такие пещеры имеют форму колодца и глубиной доходят до 100 метров и более. В 1993 году был обнаружен и исследован гигантский ледниковый колодец «Изотрог» глубиной 173 метра.

Особый тип ледниковых пещер – это пещеры, образуемые в леднике в месте выхода подземных термальных вод. Поскольку вода горячая, она способна проделывать объёмные галереи. Расположены такие пещеры не в самом леднике, а под ним, так как лёд проплавляется снизу. Термальные ледниковые пещеры встречаются в Исландии, Гренландии и достигают значительных размеров.

Вулканические или лавовые пещеры возникают при извержениях вулканов (Приложение 5). Поток лавы, остывая, покрывается твёрдой коркой, образуя лавовую трубку, внутри которой по-прежнему течёт расплавленная порода. После того как извержение уже, фактически, закончилось, лава вытекает из трубки с нижнего конца, а внутри трубки остаётся полость. Понятно, что лавовые пещеры залегают на самой поверхности, и часто кровля обваливается.

Однако лавовые пещеры могут достигать очень больших размеров. Таких, например, как пещера Казумура на Гавайях – 65,6 км длиной и 1100 м глубиной. А самая большая вулканическая пещера мира Куэва-де-лое-Вердес находится на одном из Канарских островов.

Карстовые пещеры - таких пещер большинство (Приложение 6). Именно карстовые пещеры имеют наибольшую протяжённость и глубину.

Пещеры образуются вследствие растворения пород водой. Поэтому карстовые пещеры встречаются только там, где залегают растворимые породы: известняк, мрамор, мел, гипс и соль. Известняк, а тем более мрамор, растворяются чистой дистиллированной водой очень плохо. В несколько раз растворимость повышается, если в воде присутствует растворённый углекислый газ, а он в природе всегда растворён в воде. Однако всё равно известняк растворяется слабо, по сравнению, скажем, с гипсом или, тем более, солью. Но оказывается, что это положительно сказывается на образовании протяжённых пещер, поскольку гипсовые и соляные пещеры не только быстро образуются, но и быстро разрушаются.

Пещеры - это особый мир, не имеющий аналогов на поверхности. В пещерах нет ни зимы, ни лета. Температура всегда одинаковая. В холодных пещерах она колеблется от +2 до +8 градусов, а в тёплых и жарких — от +15 до +28.

Оказывается, воздух в пещерах стерильно чист. В нём в тысячу раз меньше микробов, чем на поверхности. Оказывается, вместе с подземными водами в пещеры проникают радиоактивные изотопы углерода. Они вызывают свечение сталактитов, ионизируют воздух, убивают микробов.

Самая длинная в мире пещера – Флинт-Мамонтова – находится в США, в штате Кентукки. Длина всех её коридоров составляет более 550 километров. А самая глубокая пещера находится в Абхазии – пещера Крубера-Воронья. В неё человек может спуститься на 2 километра.

Несмотря на то, что уже так много известно о пещерах, впереди учёных ждут новые открытия. В каждой пещере есть ходы, щели и коридоры, о которых путешественники по пещерам – спелеологи – ещё не знают. Они думают, что всё уже изучили, но вдруг однажды замечают щель за каменным завалом, а за ней – коридор, за которым ещё несколько метров пещерной красоты.

В результате этих исследований можно сделать вывод, что существует несколько видов пещер, но наиболее распространёнными являются карстовые. Для образования пещеры необходимо достаточное количество водных осадков и удачная форма рельефа, то есть осадки с большой площади должны попадать в пещеру, а вход в пещеру должен располагаться заметно выше того места, куда разгружаются подземные воды.

Сталактиты, сталагмиты и сталагнаты

Вода – великая сила. Она точит камень, когда прокладывает себе дорогу, она строит галереи, а потом покидает их, подтачивает скалы, и они опускаются, рушатся, перемещаются. Так рождаются сами пещеры. Однако вода не только строитель, но и художник, скульптор!

Пещеры бывают в разных каменных породах, и вода приносит в них разные частички, строит из разных материалов: из кальцита, гипса, каменной соли. Растворение и разрушение водой осадочных пород носит название карст — карстовый процесс.

Карстовый процесс двулик: вода растворяет горную породу в одном месте, переносит её в другое и там из этой же породы создаёт прекрасные натёчные образования – сталактиты и сталагмиты.

Сталакти́ты (от греч. stalaktós - натёкший по капле), - натёчно-капельные образования, свисающие в виде конических сосулек, драпировок, изгибающейся бахромы или полых трубок со сводов и верхних частей стен карстовых пещер или иных подземных пустот (Приложение 7).

Сталагмиты (от греч. stálagma — капля), натёчно-капельные образования столбообразной, конической и других форм, поднимающиеся со дна пещер и других подземных карстовых полостей (Приложение 8).

Сталагнаты - натёчно-капельные образования в виде колонн, возникающие в пещерах при соединении сталактитов и сталагмитов (Приложение 9).

Как же они образуются? Дождевая капля, просачиваясь сквозь трещину в скале, растворяет частичку камня. Таким образом, каждая такая капля содержит частички известняка или других минералов. Растворяя известняк, вода забирает из него минерал кальцит. Капля насыщенного кальцитом раствора по мельчайшим трещинкам добирается до потолка уже созданной пещеры и повисает на нём (Приложение10).

Постепенно очень медленно капля испаряется, а принесённая ею частичка кальцита или другого минерала тончайшей плёнкой оседает на потолке. Через некоторое время в это место приходит следующая капелька и опять откладывает кальцит. Нарастая, крупинки кальцита превращаются сначала в тоненькую прозрачную и пустую внутри трубочку. Почему пустую? Да потому, что сама капля пустая внутри.

Но вот в каплю попадает песчинка и закупоривает трубочку. Тогда другие капли начинают эту трубочку обтекать со всех сторон, и растет каменная сосулька, такая же, как и ледяная, - сталактит.

Но капли поступают неравномерно то с одной, то с другой стороны, и сталактит получается не совсем круглый. А тут ещё на поверхности идёт дождь, вода становится грязной, сталактит темнеет. Дождь кончился, вода снова чистая, и следующий слой сталактита стал другого цвета. Если его разрезать, то на разрезе будут такие же кольца, как у дерева, только не годовые. Просто весной и осенью больше воды, и сталактит растет быстрее. Вода темнее, и кольцо темнее, воды стало меньше, и рост остановился (Приложение 11).

Я даже нашёл химическую формулу процесса образования сталактита. Вот она: CaCO3 + H2O + CO2 <=> Ca2+ + 2 HCO3

Но мне пока трудно её прочитать, так как я ещё не изучаю химию. Из этой формулы я знаю только обозначение воды – Н2О и кальция – Ca.

Но не весь кальцит оседает на потолке и даёт рост сталактиту. Под собственной тяжестью часть капель падает на пол, и снизу навстречу сталактиту растёт сталагмит. Когда сталактит и сталагмит соединяются и срастаются между собой, образуется кальцитовая колонна - сталагнат. И сталактиты, и сталагмиты, и колонны бывают очень больших размеров — десятки метров в высоту и несколько метров в диаметре.

Водяные капли, попадая на них, образуют струйки, которые обтекают колонны со всех сторон, и тогда появляются натёки в виде рёбер. Если же капли стекают по стене пещеры, то на ней возникают не менее удивительные натёки в виде каменных водопадов, флагов и других фантастических образований.

Иногда в пещерах появляются натёки совершенно неожиданных форм. Сталактиты вдруг начинают расти вкривь и вкось, создавая причудливые каменные переплетения. На полу и на стенах возникают удивительно красивые каменные и гипсовые сталактитовые цветы - кораллиты, кристалликтиты и геликтиты (Приложение 12).

Там, где возникает дисбаланс поступления раствора - например, сверху капает, но столь мало, что капель сразу растекается плёнкой, - возникают гибридные формы, сталагмит расцветает кустом. При этом возникают самые разнообразные переходные формы, полиминеральные формы и многое другое. Например, можно найти образования, в точности копирующие архитектуру осиных гнёзд. А гипсовая паутина, которая тоньше человеческого волоса, при малейшем колебании воздуха рассыпается в пыль.

Миллиарды капель за миллионы лет создали в пещере целый лес сталактитов, сталагмитов, фантастическое внутреннее убранство из колонн и ажурных каменных занавесей, флагов и водопадов (Приложение 13).

На полу пещеры текущая вода также откладывает кальцит и образует "ванночки", разнообразные по форме и цвету. Мельчайшие частички солей различных минералов и металлов - меди, кобальта, железа - делают натёки розовыми, жёлтыми, синими, красными, морковными, черными. Очень редко встречается в "ванночках" так называемый пещерный жемчуг. Образуется он так же, как и морской, только не в раковине. Иногда пещерные жемчужины достигают трёх-пяти сантиметров в диаметре — почти как шарик для пинг-понга — но это очень большая редкость.

В карстовых пещерах можно встретить большое разнообразие сталактитов. Например, трубчатые сталактиты, они же макароны. Канал, проходящий по всей их длине, столетиями автоматически наводил исследователей на мысль, что по этому каналу происходит питание сталактита. Но оказалось, что это вовсе не так. Выяснилось, что канал – всего лишь следствие кристаллизации по периметру отрывающейся капли. Вот почему новые сталактиты, растущие на месте сломанных, не продолжают исходную трубку, а растут слегка сбоку, там, где воде удобнее капать.

Самыми эффектными из сталактитов являются драпировки (Приложение 14), возникающие на наклонных стенах. Именно тогда растущий сталактит начинает влиять на точку отрыва капли, и она становится мобильной, перемещаясь по малейшей прихоти водяной струйки и фиксируя в своей лихо закрученной форме направление этих струй, того, куда им следует течь.

Когда минерал меняется, скажем, кальцит на гипс, меняется и пещера, причем до неузнаваемости (Приложение 15). Гипс имеет другую химию кристаллизации. Поэтому в такой пещере «растут» гипсовые образования - “хрустальные люстры” (Приложение 16) и гипсовые “заснеженные ели”.

Они образуются чрезвычайно примечательным образом. В пещере тоже есть сухие и влажные сезоны, а гипс хорошо растворимый минерал. Когда влага оседает на поверхности, гипс растворяется. Когда влага испаряется, гипс кристаллизуется. Вода «любит» оседать во впадинах, а испаряться с выступов – это элементарная физика. И тогда получается, что внутренняя полость сталагмита продолжает растворяться, а наружная поверхность - дорастать, причем ветвистыми кустами кристаллов. Возникают те самые “заснеженные ели”. Когда стенка истончается так, что сталагмит уже не держит собственного веса, то “умирая”, он проваливается внутрь самого себя, предоставляя собственные “запасы” гипса для роста иных образований.

Времени на создание всей этой необыкновенной подземной красоты необходимо очень много. Ученые подсчитали, что в среднем сталактит нарастает по четыре десятых миллиметра в год и за сто лет увеличивается всего на четыре сантиметра. И через 100 лет на этом месте появится каменная сосулька – сталактит длиной 4 сантиметра. И каждые 100 лет сталактит будет подрастать на столько же. А внизу, куда упала капля, будет расти каменная башенка – сталагмит. Через миллионы лет сталактит и сталагмит соединятся и превратятся в сверкающую колонну. Значит, человек, разбивший каменную сосульку метровой длины, уничтожил то, что природа создавала около двух с половиной тысяч лет!

Таким образом, в ходе исследования я узнал, что сталактиты, сталагмиты и сталагнаты – это натёчно-капельные образования в пещерах. Процесс образования сталактитов и сталагмитов – это сложный химический процесс, который заключается в том, что вода растворяет горную породу, переносит её в другое место и через некоторое время откладывает её обратно, создавая натёчные образования. Процесс этот длится сотнями, тысячами лет.

Другие загадки пещер

Палеонтология – наука, которая занимается изучением ископаемых растений и животных. Ископаемые – это останки животных, живших миллионы лет назад, которые сохранились до наших дней. В основном благодаря изучению ископаемых мы знаем, каким был животный мир сотни миллионов лет назад.

В начале своей работы я уже говорил о том, что изучение пещер имеет большое научное значение в палеонтологии, минералогии, антропологии, археологии. Подтверждением тому является самое громкое и интересное открытие 20 века – это открытие пещеры Петралона на севере Греции. Я сам был в этой пещере, и она стала отправной точкой для меня в изучении механизма образования пещер и сталактитов. Поэтому хочу коротко рассказать о ней (Приложения 17-24).

В 1959 году на полуострове Халкидики, на севере Греции на высоте 250 метров над уровнем моря у подножия горы Кацика был обнаружен вход в пещеру. Всё произошло совершенно случайно, пастух по имени Петралона пас в этом районе овец. Однажды услышав негромкое журчание воды, решил внимательно обследовать подножие горы и наткнулся на вход в пещеру. Дальнейшим исследованием занялись специалисты, в частности знаменитый греческий антрополог Арис Пулянос, который потом построил палеонтологический музей рядом с пещерой и даже сам иногда проводит экскурсии. Мне повезло, я его тоже видел, когда был на экскурсии.

Площадь пещеры 10 тысяч квадратных метров, общая длина коридоров (проходов) - 1 500 метров. Туристический маршрут, открытый для посещения, составляет пока всего 600 метров. Находки, которые были обнаружены внутри этой пещеры, совершили настоящий переворот в антропологии. В 1960 году, спустя год после открытия самой пещеры, внутри был обнаружен череп и скелет древнейшего европейца, человека-неандертальца, получившего название архантроп. Результаты первого исследования черепа были представлены на Международном съезде антропологов в Москве в 1964 году и произвели большое впечатление на специалистов.

Кроме того, в пещере были найдены окаменевшие кости, каменные орудия труда, останки животных - медведей, гиен, черепах, носорогов, львов и даже жирафа. И ещё одна необычная находка из пещеры Петралона – это следы костров и зола, возраст которой насчитывает 1 миллион лет. По мнению учёных, это самые древние следы использования огня человеком.

До недавнего времени считалось, что возраст человечества составляет 3,5-4 миллиона лет, а родиной является Африка. Однако находки из пещеры Петралоне и их датировка дают право предполагать, что колыбель человечества – Юго-Восточная Европа, а человек появился 11-12 миллионов лет назад на территории Греции. Все находки из пещеры Петралона выставлены в антропологическом музее, построенном рядом пещерой.

На самом деле в пещерах очень много загадок и тайн. Как я выяснил в ходе своего исследования, необычен и интересен животный мир подземелий. Ещё первобытный человек знал и рисовал на стенах животных, обитавших в пещерах – пещерного льва, гиену, пещерного медведя. Кстати, наскальные рисунки тоже несут в себе много интересной для учёных информации (Приложение 25).

Древние животные уже давно вымерли, люди покинули пещеры, но сами пещеры не опустели. Серьёзные биологические исследования подземного мира начались только в 1831 году, когда был найден первый пещерный жук. С тех пор открыто много различных пещерных существ — и водных, и наземных. Это троглобионты, что означает "живущие в пещерах" — рачки, рыбы, мокрицы, многоножки, пауки, ложноскорпионы и другие насекомые.

Приспособление живых организмов к пещерной жизни очень сложно и многообразно. По сравнению со своими наземными сородичами они имеют более длинные и тонкие тела, более вытянутые лапки и усики, они прозрачны и бесцветны. Поскольку в пещерах нет света, им не нужно зрение, и поэтому у них нет глаз. В пещерах встречаются слепые жуки, рыбы, земноводные, раки и даже слепые и бескрылые мухи. Воздух в пещерах насыщен влагой, и поэтому троглобионты могут жить и в воде, и на суше.

По мнению ученых, животные и насекомые ушли в пещеры в связи с изменением климата на Земле, а именно при похолодании. Таким образом, большинство современных пещерных жителей — это представители прошлых эпох, живые ископаемые, уже не встречающиеся на поверхности, но сохранившие облик и привычки давно минувших тысячелетий.

Однако большинство любителей темноты проводят под землей только часть жизни. Например, бабочки только зимуют в пещерах. А ведущие ночной образ жизни некоторые виды кузнечиков находятся там весь день. К ним относился и пещерный медведь, ведь пещера была для него только местом отдыха. Ещё меньше времени проводили в пещерах гиена и лев. В отличие от пещерного медведя они никогда не заходили далеко в глубь пещеры, а держались у входа.

Сокровища пещер – ещё одна загадка и тайна пещер. Уже многие тысячелетия в легендах и сказаниях говорится о сокровищах, спрятанных в пещерах. Под землей не раз находили кости заблудившихся кладоискателей, которым так и не удалось найти заветные сокровища. Одна из пещер в чешских Татрах так и называется — Пещера Искателей Сокровищ. А сколько сложено легенд о пиратских сокровищах, спрятанных, в том числе и в пещерах. Но в каждой легенде есть доля правды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом моего исследования были пещеры и их загадки, главные из которых сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, механизм их образования и возможность создания в бытовых условиях, то есть дома. В начале работы я предполагал провести опыт по такому выращиванию. Я думал, что, изучив природу и механизм образования сталактита, я смогу сам сделать то же самое. Но ещё в ходе теоретического исследования я понял, что вырастить дома настоящий сталактит невозможно.

Для того чтобы вырастить сталактит, требуется наличие нескольких очень существенных условий. А именно – пещера с определённым рельефом и микроклиматом, постоянный поток воды, наличие углекислого газа и самое главное – несколько сотен и даже тысяч лет. Человеческой жизни недостаточно, чтобы повторить столь необыкновенное и красивое явление как сталактит или сталагмит. Остаётся одно – любоваться и беречь.

По результатам своего исследования я могу сделать главный вывод – существуют такие природные явления, которые человеку стоит изучать, беречь, но вовсе не обязательно повторять их или использовать в своей жизнедеятельности. Возможно, когда-нибудь люди изобретут машину времени или ускоритель времени и тогда смогут искусственно ускорить естественный процесс роста сталактитов, но возникает следующий вопрос, а надо ли?

Зачем мне нужны эти знания? Могут ли они пригодиться мне в жизни? Думаю, да. И главным образом, для того, чтобы лучше понимать окружающий мир, видеть и ценить то прекрасное, что умеет создавать природа. А ещё - вдруг климат на Планете опять резко поменяется и людям вновь придётся вернуться в пещеры. Обладая этими знаниями, мне будет легче там освоиться самому и помочь другим.