Добро пожаловать на сайт, посвященный спелеологии!


Век спелеолога не долог,
Не потому ль так сладок он.
Застегнут у комбеза ворот
И карабинов слышен звон.
Станок нальется как чугунный,
Такой под силу только мне -
Не обещайте деве юной
Увидеть Снежную на дне.

 Главная

Перейти на главную

 

 Фото

 Фотоколлекция:


Фотографии пещер

 

 Библиотека

 Спелеология:


Азбука одноверевочной техники Петко Недков
Занимательная спелеология В. Н. Дублянский
Что важно знать о спелеологической веревке Ю.С.Косоруков
Методика описания пещер
Перечень классифицированных пещер на территории СНГ
Азбука спелеолога (pdf)
Моя жизнь под землей. Норбер Кастере
Один в глубинах Земли. Мишель Сифр
В безднах Земли. Мишель Сифр
Алан Уэрайлд "Вертикаль" - перевод Константин Серафимов

 Узлы:


Учимся завязывать узлы
Л. Н. Скрягин "Морские узлы"
Узлы - история, легенды, виды

 Картография и
 ориентирование:


Карты Украины(3D)
Руководство по OziExplorer
Спортивная топография
Справочник по военной топографии
Подготовка спортсменов-ориентировщиков
Карта в спортивном ориентировании
Туризм и спортивное ориентирование

 Питание и медицина:


Медицинский справочник туриста А. А. Коструб
Питание в туристском походе
Питание для выносливости Э.Колеман

 Альпинизм:


 Горные лыжи:


Самоучитель горнолыжника Ж.Жубер
Карвинг - эволюция или революция в горных лыжах? Ж.Жубер
Лыжи и лыжники
Лыжи бугров. Методическое руководство для инструкторов

 Разное:


Психологический климат туристской группы. Линчевский Э.Э.
Карманный справочник туриста. Штюрмер Ю. А.
Туристу о географических названиях. Поспелов Е. М.
Словарь активного туриста

 Песни которые мы поем:


ГИМН СПЕЛЕОЛОВ ССТ ХГУ-82
Девочки завязывают бантики

 

 Отчеты о походах

Пещера Кристальная
Зимний поход в Крым - 2006

 

 Юмор

Случайный прикол :)
Спелео анекдоты

 

 О нас

Наши кнопки
E-Mail
Гостевая книга
Форум

 

В. Н. ДУБЛЯНСКИЙ

Занимательная спелеология

Опубликовано: научно-популярная книга, Урал LTD 2000


16. Использование подземных пространств


Пещеры, я люблю ваш кров...

П. Ронсар

16.1. Qui prodest - кому выгодно?

Этот обычный в судебной практике вопрос, ответ на который раскрывает мотивы поступков обвиняемых, нередко задают себе исследователи естественных и искусственных полостей. Наиболее полные сводки о возможностях использования подземных пространств (40-60 видов) опубликовали X. Триммель (1968), Г.А. Максимович (1972, 1974), Р. Скриванис (1990) и П. Ф. Швецов (1992). Системный анализ, выполненный под руководством автора студентами Симферопольского университета Ириной и Максимом Козловыми, выявил более 130 различных видов использования подземных пространств. Оказалось, что между использованием пещер и искусственных полостей нет принципиальных различий. Удобнее всего характеризовать их по сферам деятельности: промышленной, сельскохозяйственной, коммуникационной, военной, социальной, культовой и научной.

Промышленная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • для добычи вмещающих пород (известняк, мел, каменная и калийная соли, песчаник и пр.);

  • добыча выполняющих отложений (кремень, медь, золото, железо, свинец, серебро, мышьяк, уран, драгоценные камни, мраморный оникс и пр.);

  • размещение заводов и объектов инженерного оборудования (железоплавильни, обогатительные фабрики, заводы точного приборостроения, ГЭС, АЭС, заводы по очистке воды, производству вина и пр.);

  • хранение различных веществ, материалов, продуктов производства (холодильные установки, нефтепродукты, отходы промышленности и пр.).

Сельскохозяйственная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • выращивание грибов (шампиньоны);

  • созревание сыров (рокфор и др.);

  • овощеводство (огурцы, томаты, лук, помидоры);

  • цветоводство (ландыши, жасмины, гвоздики, каллы и пр.);

  • пчеловодство (хранение ульев, пчеломатериалов и пр.);

  • добыча гнезд птиц (для еды и лечения);

  • загоны для скота (мелкий и крупный рогатый скот, домашняя птица);

  • скотомогильники.

Кроме того, из заполнителя полостей разных видов используются вода, гуано летучих мышей и птиц, костяная брекчия, гипс, мумие.

Коммуникационная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • пути сообщения (пешеходные, велосипедные, железнодорожные, водные);

  • вокзалы, депо, стоянки автомашин;

  • коллекторы (водопроводы, газопроводы, водонесушие и водоотводящие коммуникации, электрические и телефонные кабели).

Военная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • убежища и укрытия (мирные жители, военные, криминогенные элементы);

  • коммуникационные сооружения (пути сообщения, узлы связи, типографии и пр.);

  • фортификационные сооружения (укрепленные районы, бункера и пр.);

  • заводы (для производства оружия, боеприпасов и пр.);

  • полигоны (испытание оружия, стрельбища, места тренировок).

Из заполнителя полостей используются селитра (для производства пороха) и сталактиты (наконечники для стрел).

Социальная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • жилье (города, убежища, тюрьмы);

  • водоснабжение (цистерны для сбора и хранения воды, колодцы);

  • склады (вино, фрукты, медикаменты, золотой запас, клады, послания потомкам и инопланетянам, мусор и пр.);

  • торговые помещения (магазины, рестораны, буфеты, мастерские, почта, телеграф и пр.);

  • лечебные цели (лечебницы разных профилей, а также отложения: мумие, гипс, мирабилит, галмей, гнезда стрижей, вода);

  • спортивно-экскурсионные цели (спортзалы, хоккейные поля, плавательные бассейны, учебные полигоны, спелеотуризм, экскурсии, танцевальные и концертные залы, музыкальные школы, проведение соревнований по спелеоориентированию, новогодние елки, фотографирование и пр.);

  • культурно-просветительные цели (горные, археологические, биологические, фармакологические, спелеологические музеи; библиотеки, архивы и пр.).

Культовая сфера. Типы и виды использования полостей:

  • отправления культов (первобытные святилища, языческие капища, ведические, индуистские, исламские, иудейские, синтоистские, христианские храмы, часовни, церкви, мечети, монастыри);

  • отправления обрядов (инициация, бракосочетание, похороны и пр.).

Научная сфера. Типы и виды использования полостей:

  • выяснение условий образования и существования полостей (маршрутные и стационарные геологические, гидрогеологические, микроклиматические, инженерно-геологические, биологические и прочие исследования);

  • изучение процессов, происходящих в земной коре и в космосе (геофизические наблюдения - наклономерные, деформографические, сейсмические, электромагнитные и др.; астрофизические наблюдения - изучение космических излучений, частиц больших энергий и пр.);

  • изучение жизни под землей (биологические наблюдения - жизнь животных в условиях вечной темноты, постоянной температуры и влажности; медицинские - изучение биоритмов человека при длительном пребывании под землей в спокойной и стрессовой обстановке, поведение человека и коллектива людей в условиях замкнутого пространства и информационной изоляции и пр.).

Изучение пещерных пространств дает важные результаты не только в перечисленных, но и во многих других научных направлениях геологии (минералогия, седиментология и пр.), гидрогеологии (изучение конденсации, особенностей движения подземных вод и формирования их гидрохимии, математики (проблемы топологии и пр.).

Таким образом, использование подземных пространств полифункционально. Оно началось с палеолита и продолжается на протяжении всей истории человечества. К концу XX в. отмечается резкое увеличение видов и типов использования пещерных пространств, а также - увеличение количества используемых для разных целей объектов. Поэтому возникает проблема их оценки как ресурсов. В. Н. Андрейчук и Г. А. Бачинский считают пещерные пространства природными ресурсами особого типа; В. П. Коржик рассматривает их отдельные компоненты (горная порода, атмосфера, вода, биота) как специфические виды природных ресурсов. Приведенные данные свидетельствуют, что их нельзя в полной мере соотносить ни с одним из типов ресурсов, выделенных Н. Ф. Реймерсом.

Пещерные пространства - это интегральные ресурсы. Отдельные их типы (емкостные, газообразные, жидкие, твердые) в разных комбинациях входят в состав общих ресурсов: природных (пространственные, энергетические, литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы), трудовых (лечебные, познавательно-информационные, культурные, рекреационно-эстетические) и материальных (строительные, коммуникационные). Ресурсный подход к пещерным пространствам нуждается в выработке предложений и нормативов по их оценке, рациональному использованию и охране.

Наличие подземных пространств осложняет инженерно-строительное освоение территории. Если в 50-е гг. XX в. считалось, что естественные и искусственные полости оказывают влияние на устойчивость территории при глубине залегания до 20 м, то затем этот предел стал быстро увеличиваться. В настоящее время известны случаи их отрицательного влияния при глубине заложения 100-400 (Подмосковье, Приуралье, отдельные штаты США), а кое-где (Германия, Китай) - даже до 800-1000 м. Это заставляет по-новому подходить к геологической и экономической оценке территорий, где имеются пещеры и искусственные выработки.

Детальное рассмотрение возможностей использования подземных пространств уведет нас далеко в сторону. Поэтому остановимся только на нескольких из них, раскрывающих связи пещер с точными науками, археологическими и медико-биологическими проблемами.

16.2. Сравнение не есть доказательство

В 1915 г. в Московском университете защищал магистерскую диссертацию "отец русского карстоведения" А. А. Крубер. Один из его оппонентов, профессор А. Лейст, задал "коварный" вопрос: как определялась глубина карстовых шахт, в которые никто не спускался? Ответ был кратким: "по времени падения камня". Но дотошный физик потребовал разъяснений. Они свелись к следующему. В шахте Монастыр-Чокрак звук от удара камня о дно слышен через 5 с после начала его падения. Так как камень падает равноускоренно, S = v0 + a*t2/2, где S - путь (глубина шахты, м); V0 - начальная скорость, м/с (равна нулю); t - время, с; а - ускорение свободного падения тел (9,8 м/с2). Таким образом, S = 4,9 t12 (t1 - время падения камня). Но звук в воздухе распространяется равномерно, со скоростью 330 м/с. Поэтому S = 330 t2. Получаем систему уравнений:

t1 + t2 = 5

4,9 t2 = 330t2

из которых легко найти t1 и t2, а затем и S.

Глубина полости по расчету оказалась примерно равной 100 м. (Забегая вперед, отметим, что только в 1963 г. удалось проверить этот расчет прямым замером; глубина полости составила 90 м.) Этим методом продолжали пользоваться до середины XX в. Еще в 1954 г. французский исследователь Ф. Тромб приводил в своей монографии "Спелеология" специальную таблицу, заменяющую расчеты. Но определить примерную глубину шахты - это лишь поставить задачу. Решить ее - значит спуститься на дно и благополучно выйти на поверхность. Вес спелеолога в полном снаряжении в среднем 90 кг. Сизальские, манильские и пеньковые веревки, которые использовались в конце XIX -начале XX вв., имели усилие на разрыв 385-1000 кг, что соответствует допустимой нагрузке 65-160 кг (1/6 разрывного усилия).

Положение осложнялось тем, что для подъема из шахты часто применялся "неподвижный блок" - веревка, переброшенная через ствол дерева. Согласно закону Эйлера, выведенному еще в начале XVIII в., в этом случае прилагаемая сила (Т, кг) больше веса спелеолога (Р, кг): Т = Р*ек*j, где е - основание натуральных логарифмов, к - коэффициент трения (0,35-0,50), j - угол охвата блока, рад. Для подъема через неподвижный блок приходится прикладывать усилие 150-180 кг. Именно поэтому при первых подъемах часто использовали лошадей. Таким образом, даже работая в статических условиях, веревки уже были на пределе крепости.

В середине XX в. сизаль и пенька были вытеснены из альпинизма и спелеологии более легкими и устойчивыми ко внешним воздействиям веревками из полиамида (капрон, нейлон, перлон), полиэстера (терилен), полипропилена и пр. Их разрывное усилие увеличилось до 1200-2400 кг. Однако применение новой техники (различные устройства для спуска и подъема) и тактики (использование одной или двух веревок, веревки и лестницы, веревки и троса и пр.) поставило новые задачи. Пришлось разрабатывать более сложные формулы, учитывающие разные коэффиценты трения соприкасающихся материалов, изменяющуюся геометрию зажимных устройств, возникновение динамической нагрузки и пр.

В качестве примера приведем лишь формулу, используемую для определения разрывающего усилия веревки, Р, кг:

Р = М + (М2 + 4*M*H*W / L)0,5,

где М - падающая масса, кг; Н - высота падения, м; W - предельная статическая нагрузка, кг; L - длина рабочего конца веревки, м. Для простейшего случая (М = 90 кг, Н = 5 м, W = 1500 кг, L = 50 м) величина Р достигает 250 кг...

Необходимо учитывать, что прочность веревок ощутимо снижается при хранении, увлажнении, загрязнении, длительном пребывании на солнце, завязывании узлов и пр. Оценить степень потери прочности (а, следовательно, и риска) можно только с использованием математики.

Но вот спелеолог на дне. Начата работа, первый и обязательный элемент которой - топографическая съемка. Она полностью основывается на геометрии и тригонометрии, а оценка ее результатов - на теории ошибок. Большинство топосъемок пещер по международной шкале имеет 3-й класс точности - создание съемочной сети без закрепления точек, измерение магнитных азимутов компасом, вертикальных углов - эклиметром, а расстояний - мерной лентой (с точностью до 1° и 10 см). Общая ошибка съемки крупной пещерной системы может достигать 4%. Это значит, что при расчетной глубине пройденной шахты 500 м ее истинная глубина может находиться в пределах 500±20 м. В практике отечественной спелеологии в 60-80 гг. было принято использовать меньшую величину. Именно поэтому шахта Киевская на массиве Кырк-Тау внесена в список крупнейших с глубиной 990 м, хотя имелись замеры 1030 и даже 1080 м. Позднее это было признано "перестраховкой", и в литературу проникли цифры типа 1508 м (шахта В. Пантюхина). Уж 8 метров здесь явно "от лукавого"...

Один из важнейших параметров карстовой полости, используемый затем в морфометрии, спелеометеорологии, гидрохимии,- ее объем. Определение объема элементарной геометрической фигуры, имеющей сечение в виде окружности, квадрата, треугольника или прямоугольника, трудностей не представляет. Но как быть в пещере, где эти сечения непрерывно чередуются, меняя свои размеры (длина, ширина, высота, радиус и пр.)? Оказывается, имеется универсальная формула Симпсона, обходящая все эти трудности /12/:

V = h/6(b1 + 4b2 + b3),

где V - объем полости, h - расстояние между сечениями, b1, b2, b3 - площади 1, 2 и 3 сечений. Единственное, что необходимо для расчетов,- набор данных о форме и размерах возможно большего числа сечений полости.

Современная спелеология имеет в своем арсенале и более точные методы. Например, чешские ученые разработали метод "щелевой" фотосъемки: лампа-вспышка, заключенная между двумя непрозрачными пластинами, "высвечивает" контур полости. Имея набор таких фотоснимков, увязанных между собой обычной топосъемкой, можно получить объем полости с ошибкой менее 15%, что вполне достаточно даже для инженерных изысканий.

Математика может пригодиться и при анализе особенностей заложения карстовых полостей. В Горном Крыму известно около 400 нивально-коррозионных колодцев и шахт, как помнит читатель, образованных тающим на их дне снегом. Они имеют разную глубину (Н, м), которая является функцией площади входа (S, м2):

H = 0,5S + 7.

Итак, с глубиной "снежных" полостей все ясно. Но как они распределяются по глубине? Прежде всего, мы осреднили данные по 10-метровым интервалам и построили график-гистограмму (рис. 80 А).

Рис. 80. Распределения нивально коррозионных полостей
Горного Крыма.
 
Распределение по глубине (А, Б)
и смена оледенений-межледниковий в антропогене (В).
А - гистограмма; Б - по истинным значениям;
В - оледенения (черное) и межледниковья (белое)
 
Рис. 80. Распределения нивально коррозионных полостей Горного Крыма.  

Как и многие геологические процессы, распределение нивально-коррозионных полостей по глубине имеет логнормальный характер: максимум в интервале глубин 10-20 м и закономерное убывание количества полостей к 70-80 м. Через десяток лет возникла идея: что мешает нам построить не гистограмму, а диаграмму, с шагом по глубине 1 м? Неожиданно возникла многовершинная (многомодальная) кривая с 12 пиками (рис. 80 Б). Попытки расчленить ее на более простые распределения, учесть размещение полостей на разных массивах, высоту их заложения, литологию карстующихся пород, количество выпадающих осадков и т. д. результата не дали. На всех "частных" графиках упрямо возникали эти же 12 пиков... Загадочные кривые надолго легли в один из ящиков стола.

Ответ пришел неожиданно. Перелистывая "Реферативный журнал", мы натолкнулись на кривую оледенений-межледниковий, составленную итальянским геоморфологом Ч. Эмилиани. "Стоп,- сказало подсознание,- такое мы уже видели".

Но где? Конечно же, на графике в ящике стола. Сравнение материалов показало их удивительное сходство. Для подтверждения его пришлось использовать более современную палеоклиматическую кривую В. А. Зубакова, построенную с учетом периодичности колебаний земной орбиты, и довольно тонкий математический аппарат. Особенно хорошо совпали пики, соответствующие оледенениям рисс-2, рисс-1, миндель-3, миндель-1, гюнц-4 и гюнц-3. Несколько хуже фиксировались оледенения глюч, миндель-2, гюнц-2. Пики, не имеющие аналогов в оледенениях, соответствуют климатическим минимумам межледниковых периодов. Таким образом, интенсивность образования карстовых полостей нивально-коррозионного класса увязывается с климатическими ритмами третьего порядка, проявляющимися в чередовании ледниковых и межледниковых эпох, обусловленном колебаниями количества и состава солнечной радиации /21/. Вот как глубоко завели нас совсем небольшие и неинтересные для спелеолога нивально-коррозионные колодцы и шахты!

Космические ритмы давно фиксируются в спилах древесных стволов в виде чередования колец разной толщины. Появилась даже специальная наука - дендрохронология, а лучшими "гидами в прошлое" считались деревья-долгожители - североамериканская секвойя или туркестанская арча, возраст которых достигает 2 тысяч лет. По ним созданы дендрошкалы, с помощью которых удается с точностью до 1 года определить возраст каждого кольца. Однако А. Е. Ферсман еще в 1915 г. отмечал, что их аналогами являются годовые кольца сталактитов. Но, в отличие от деревьев, они могут на длительное время прекращать свой рост или даже подвергаться растворению. Это приводит к "выпадению" листков подземного календаря. Поэтому специалисты с большим интересом встретили сообщение крымских спелеологов о нахождении в русле подземной реки Краснопещерной естественных плотин-гуров, выросших прямо в потоке воды. Их рост никогда не прерывался, а количество сезонных слойков превышало 10 тысяч.

Расшифровка ритмограмм в трех натечных плотинах позволила выявить ритмы второго порядка протяженностью около 1800 лет, связанные с колебаниями общей увлажненности материков, и большое количество 11-летних ритмов, подчиняющихся гармоническим колебаниям солнечной активности. Компьютерная расшифровка ритмичности строения гуров пещер Европы и других материков - космической летописи за 10-12 тысяч лет - дело будущего.

Более мелкие космические ритмы оказывают влияние на гидрогеологию карстовых массивов, определяя некоторые особенности спелеогенеза (формирования пещер). Приливы и отливы лунно-солнечной природы прослежены не только в Мировом океане, но и на суше, в земной коре, от экватора до 50-60° северной и южной широты. Они приводят к полусуточной пульсации воды в карстовых сифонах, а на большой глубине, в зоне замедленного движения карстовых вод, вызывают расширение трещин и пор за счет коррозии смешивания ("выжимание" воды из пор в трещины во время приливов и их обратное "засасывание" при отливах). Суточный эффект этого процесса ничтожно мал. Но природа нетороплива: его повторение на протяжении миллионов лет приводит к формированию полостей там, где вроде бы их быть не должно...

В гидрологии имеется понятие "выработанный профиль", или "профиль равновесия". Это теоретическая кривая, которой стремится достичь всеми своими точками реальный водоток. Она очень крутая в верхней, более пологая - в средней и совсем пологая - в нижней части. Описывает ее уравнение y = а*евх, где х - расстояние от истоков, у - высота над уровнем моря, е - основание натуральных логарифмов, а и в - числовые коэффициенты.

Спелеологи давно обратили внимание на то, что подземные водотоки состоят из чередующихся участков наклонных, иногда меандрирующих галерей разной длины и соединяющих их вертикальных колодцев или шахт разной глубины. Казалось бы, никакого порядка! Но итальянский спелеолог Г. Абрами в 1968 г. выдвинул смелое предположение: может быть, подземные водотоки подчиняются той же закономерности? После публикации Атласа крупнейших пещер мира /35/ возникла возможность проверить эту гипотезу. 28 полостей, расположенных в Пиренеях, Альпах, Динаридах, Крыму и на Кавказе, легли днищами колодцев на теоретическую кривую (рис. 81). Определив ее числовые коэффициенты для данного карстового массива, спелеологи получили возможность предсказывать, как поведет себя полость дальше: ждать ли за сифоном наклонных, затопленных водой ходов, или готовить снаряжение для преодоления следующих колодцев... Хорошо "работает" этот метод и для предсказания сухих продолжений в верхней части карстовых систем. Кроме того, выяснилось, что вертикальные элементы карстовых систем хорошо коррелируются с этапами поднятий массива, что очень заинтересовало тектонистов и палеогеографов.

Не обойтись без математики и при определении "спелеологического потенциала" разных карстовых районов. Сведения о количестве пещер в разных странах мира противоречивы. По данным X. Триммеля (1968), во Франции и в Италии внесено в кадастры более 10 тыс. полостей, в США - более 13-ти. Эти данные очень быстро устаревают. Кроме того, многое зависит от точки отсчета. В большинстве регионов бывшего СССР кадастры полостей включали объекты протяженностью или глубиной 10 м и более. После того как на Урале "порог" учета был снижен до 5 м, количество полостей в этом регионе сразу возросло с 670 (1980 г.) до 1870 (1993 г.).

Рис. 81. Реальный профиль карстовой водоносной системы и кривая предельного равновесия,
рассчитанная по днищам карстовых колодцев.
Рис. 81. Реальный профиль карстовой водоносной системы и кривая предельного равновесия, рассчитанная по днищам карстовых колодцев.

К счастью для спелеологов будущего века, даже в хорошо изученных регионах сегодня далеко не все пещеры открыты и исследованы. Сколько осталось таких неоткрытых полостей? Ответ на этот вопрос попытался дать американский спелеолог и химик Р. Кирл. Пусть в данном районе имеется 1 полость с пятью входами, 2-е четырьмя, 5 - с тремя, 26 - с двумя и 774 - с одним. Построив кривую их распределения и "спрямив" ее, применив полулогарифмический график, можно экстраполировать имеющиеся данные в область неизвестных пещер (с "нулем" входов). Для Горного Крыма их должно быть 1740. То есть сегодня нам известно только 35% от общего числа существующих полостей...

Спелеологам как представителям естественных наук часто приходится сравнивать между собой разные объекты: отдельные пещеры, их форму, размеры, микроклимат, обводненность. Но недаром французский математик Араго говорил: - сравнение не есть доказательство... Если подключить математику, достоверность выводов значительно повышается. Приведем лишь два примера.

В 60-е гг. были начаты исследования гипсовых лабиринтов Подолии (Украина). Понимая, что механизм их образования существенно отличается от крымского, автор предложил переточную модель: вода поглощается в бортах и днище одного притока Днестра и перетекает под водоразделом в долину смежной, более глубоко врезанной реки. Моделью для этой гипотезы послужила пещера Вертеба, расположенная в шейке меандра р. Серет и явно образованная при частичной потере стока этой крупной реки. Выдвинутая идея была подтверждена наблюдениями геофизиков: электроразведочными работами на предполагаемых путях перетока были обнаружены продолжения пещеры, заполненные глинистым материалом.

В 90-е гг. А. Климчук предложил обоснованную новыми фактическими данными артезианскую модель гипсового спелеогенеза. Пещеры прорабатываются не сверху или сбоку, а снизу, за счет подтока менее минерализованных напорных вод. Она убедительно объясняла многие особенности пещер Подолии, что, однако, не означало необходимости полного отказа от "переточного" механизма. По новейшим данным, приведенным в работе А. Климчука "Гипсовый карст мира" (1997), тринадцать пещер Подолии имеют коэффициент объемной закарстованности 0,002-0,007, а четырнадцатая (Вертеба) - 0,120. Возникает сомнение: а относится ли она к генеральной совокупности (то есть к группе пещер, имеющих артезианский генезис). Для проверки используем t-критерий:

t = (х - хср)/s,

где х - текущее, a xср - среднее значение коэффициента объемной закарстованности, s - его среднее квадратическое отклонение. Расчет дает величину t = 2,3. Но для выборки из 14 членов нормированное отклонение tа составляет 2,6. Так как tа < t (2,6 < 2,3), сомнительное значение коэффициента объемной закарстованности (0,120) не входит в генеральную совокупность. Это означает, что для пещеры Вертеба артезианская модель не подходит.

Второй классический пример касается сравнения двух выборок. При исследовании группы Воронцовских пещер на Кавказе в 50-е гг. были отобраны по три пробы инфильтрационной воды, имеющие минерализацию 100, 200 и 300 мг/л (пещера А) и 200, 400 и 600 мг/л (пещера Б). Сделан вывод, что вода из пещеры Б имеет в два раза более высокую среднюю минерализацию, чем из пещеры А (400 и 200 мг/л). Однако при малом объеме выборки сравнивать средние без дополнительной проверки опасно. Если число наблюдений заключено между 3 и 10, то для сравнения выборок следует использовать tQ -критерий:

tQ = (|Xcp1 - Xcp2|) / [(Q1 - Q2) / (n1 - n2 - 4) * (1/n1 + 1/n2)]0,5 >= 2,

где Q1 = Siср)2; Q2 = Siср)2.

Выполнив вычисления, получаем tQ = 1,4 < 2, то есть между пробами из пещер А и Б нет различий. Они принадлежат к одной генеральной совокупности с xср =300 и s = 178... Так математика страхует спелеолога от ошибочных выводов.

Читатель, естественно, понимает, что мы привели только самые простые примеры применения математики, свидетельствующие о ее возможностях. В разных случаях используются более сложные приемы обработки материалов и более мощные критерии оценки их результатов.

16.3. Магическая семерка

Еще совсем недавно развитие астрономии как науки связывалось с древнейшими земледельческими цивилизациями. Отдельные находки свидетельствовали о том, что охотники, собиратели, рыболовы разных частей света умели ориентироваться по небесным светилам, связывали сезонные изменения в природе с появлением определенных животных и т. д. Американский исследователь А. Маршак именно так интерпретировал рисунок кузнечика, выгравированный на кости мамонта из пещеры Трех Братьев (рис. 82): прискакал кузнечик - жди тепла!

Рис. 82. Кузнечик. Гравировка на кости из пещеры Трех братьев,
Франция (17-15 тыс. лет до н. э.).
 
Рис. 82. Кузнечик. Гравировка на кости из пещеры Трех братьев, Франция (17-15 тыс. лет до н. э.).

В 30-е гг. XX в. чешский археолог К. Абсолон обратил внимание на частое повторение числа 5 в рядах зарубок, надрезов, штрихов, из которых состояли узоры на различных предметах из пещер Дольни Вестонице, Пшедмости и пр. (Моравия). Значение этих находок оценили не сразу, но в 1938 г. историк математики Дж. Сартон включил "счетную палочку" из Вестонице в перечень древнейших доказательств становления счета у первобытного человека. Позднее выяснилось, что кроме 5 (число пальцев на руке) на предметах их пещерных стоянок упорно повторяется число 4 (четыре стороны света, четыре ветра), давшие начало четырехконечному кресту и двадцатеричному (5*4) счету индейцев Америки. Значительно реже встречается более древняя (пещера Пеш дель-Азе, Франция, 300 000 лет) троичная система (3-6-9), которой пока нет убедительных природных или этнокультурных объяснений.

В 60-е гг. появились первые публикации о наличии на предметах разного рода из палеолита (бивни мамонта, рога оленя, пряжки, статуэтки, рисованные композиции из пещер Ласко, Альтамира, Гранде, Вертеш) ритмически повторяющихся ямок и нарезок, состоящих из 7-14 элементов. Использовав методы статистического анализа, историк Б. Фролов доказал, что число 7 с удивительным постоянством проявляется в орнаментах, мифах, обрядах, фольклоре народов, живших в разное время и в разных районах Земли. На 7 зон по значимости делятся палеолитические пещеры, семь линий или ямок обязательно присутствуют в орнаменте, нанесенном на женские статуэтки...

Детальный анализ выявил еще более удивительные закономерности. Черточки, нанесенные под углом к краю орнаментированного предмета, объединяются в группы (7 + 7 = 14), а затем меняют направление наклона; каждая "двойная" группа соответствует одному и тому же природному явлению - нарастанию диска Луны до полнолуния и убыванию его до новолуния в течение 28-29 дней. При достаточно больших размерах орнамента (на браслете, бивне мамонта и пр.) на нем наносятся десять двойных групп. Так выглядит архаичная форма первобытного календаря, связанного с 10 лунными месяцами продолжительности беременности. Это подтверждается наличием рисунков, непосредственно изображающих фазы Луны (пещера Канчал де Маома, 8-7 тыс. лет до н. э.).

Теперь становятся понятными и некоторые другие рисунки первобытного человека. Во многих пещерах (заметим - и во многих более поздних мифах!) очень часты композиции, объединяющие быков и женские знаки (точки, округленные ромбы, треугольники, направленные вершиной вниз). Ключом к теме является одинаковый календарный срок беременности!

Не меньшую роль в формировании астрономических познаний палеолитического человека играло и Солнце. Смена сезонов года, происходящая примерно за 360 дней, сопоставляется со сроком беременности кобыл и ослиц. Может быть, именно поэтому рисунки лошади занимают первое место по численности? Солнечный год находит отображение не только в рисунках, но и в орнаментах: на многих из них к 282 черточкам (10 лунных месяцев) симметрично добавляются еще по 42, что дает 366 дней (солнечный год).

В древнешумерийской поэме, записанной на 12 глиняных табличках (3 тыс. до н. э.), повествуется о подвигах полумифического царя Гильгамеша. Разные эпизоды поэмы отражают чередование времен года и соответствуют названиям созвездий. Десятый месяц называется месяцем "Пещеры восходящего солнца". Исследования А. Маршака показали, что необходимый для земледелия комплекс знаний о периодичности природных процессов на Земле и их связях с небесными явлениями сложился уже 10 тыс. лет назад. Затем он непрерывно совершенствовался с учетом новых потребностей.

А. Гурштейн предположил, что следующим этапом формирования астрономических знаний первобытного человека было выделение в поясе Зодиака четырех особых точек: весеннего и осеннего равноденствия (уравнивание светлого и темного времени суток) и летнего и зимнего солнцестояния (высшей и низшей полуденной высоты Солнца над горизонтом). Это требует наблюдений за перемещениями Солнца на протяжении года и "закрепления" его положения среди созвездий. Первые представления о "квартете", включающем современные созвездия Близнецов (символ рождения новой жизни), Девы (символ лета), Стрельца (символ осени) и Рыб (символ зимы), судя по археологическим находкам из пещер, сформировались еще в 8-4 тысячелетиях до нашей эры.

Таким образом, сакрализация числа 7 (отнесение его к определенному религиозному ритуалу) произошла еще в позднем палеолите. Она имеет астрономическую (фазы Луны) и биологическую (продолжительность беременности) природу. Но возможно, в чем-то правы и современные психологи, которые доказали ограниченность оперативных возможностей человека 7 однотипными единицами восприятия, памяти, действий...

Итак, находки в пещерах помогли специалистам разобраться в путях и методах формирования первичных астрономических знаний человека. Чтобы сделать следующие шаги, ему необходимо было перейти к систематическим наблюдениям. Так появились пещеры-обсерватории.

16.4. Подземные обсерватории

Возникновение астрономии связано с ранней историей развития человеческого общества. Охота, скотоводство, позднее - торговля требовали умения ориентироваться в пространстве. Еще в незапамятные времена было замечено, что два раза в год Солнце всходит и заходит в определенных точках на востоке и западе, а отдельные яркие звезды в течение ночи совершают оборот вокруг некоторой точки. Такие периодические явления, как фазы Луны, смена дня и ночи, дали начало календарю. По этому поводу имеется огромная специальная литература, из которой выделим лишь некоторые моменты, связанные с пещерами.

На стенах многих пещер имеются "сезонные" рисунки - изображения змей, рыб, птиц, растений (рис. 82). В пещере Чокурча под Симферополем краевед А. Столбунов в 1979 г. нашел лопаточную кость мамонта со множеством нанесенных на нее точечных изображений (11-10 тыс. до н. э.). Астроном В. М. Чернов определил, что на ней изображен участок звездного неба северного полушария, на котором удалось отождествить 16 созвездий (Северная Корона, Гончие Псы, Волопас, Дева и пр.) и 102 звезды.

В 1987 г. болгарские спелеологи провели археологические исследования в небольшой пещере Байловского комплекса. На ее стенах обнаружены и изображения фаз Луны, выполненные черной органической (гуано летучих мышей) и лиловой минеральной красками. Возраст изображений восходит к 3 тыс. до н. э. Предполагается, что это первая в мире "школа" жрецов. Изображения фиксируют календарную последовательность выполнения ритуалов, определяемую положением Солнца и Луны. Астрономическая символика (астральные и солярные знаки, календари, композиции с космологическим содержанием) обнаружены во многих пещерах Болгарии.

В районе Дублина (Ирландия) находится сложенная из камней гробница (3 тыс. до н. э.). В день зимнего солнцестояния через отверстие в ее передней стене луч восходящего солнца освещает ритуальные знаки, нанесенные на ее заднюю стенку.

При раскопках в одной из пещер Китая найден панцирь черепахи, датируемый по другим находкам XIV в. до н. э. На нем иероглифами записано сообщение о появлении на небе новой яркой звезды. Сейчас на этом месте находится источник гамма-излучения. Так что это, вероятно, самое древнее сообщение о вспышке Сверхновой.

На острове Наксос (Эгейское море) А. Петрохилос обнаружила много пещер и гротов с астральными знаками (1 тыс. до н. э.). Среди них выделяются спирали, символизирующие смену зимы летом, зодиакальные знаки и пр.

А. Нуньес-Хименес описал несколько пещер Кубы и Венесуэлы с концентрическими красными и черными кругами (1 тыс. до н. э.), олицетворяющими день и ночь. Некоторые круги перечеркнуты стрелой, направленной в сторону восхода солнца.

В 1054 г. вспыхнула Сверхновая звезда (на ее месте сейчас находятся Крабовидная туманность и оптический пульсар). Это феерическое событие наблюдали китайские астрономы, о чем рассказано в летописях, найденных в пещерах. Но его видели и индейцы Северной Америки. В пещере Галас (Нью-Мехико) в 1990 г. обнаружены глиняные чаши, расписанные изнутри. На них часты изображения Кролика, символизирующего Луну. На одной из чаш скрючившийся Кролик держит в лапе круглый предмет с исходящими из него лучами. Взаимное положение Сверхновой и серпа Луны соответствует наблюдениям китайских астрономов.

Это же событие отражено на скальной плите в вулканической Папоротниковой пещере (Калифорния). Древний художник почти без искажений изобразил участок звездного неба со звездами Альтаир, Вега, Арктур, Спика, Антарес, Регул, серп Луны и Сверхновую в созвездии Тельца. Американский астроном Р. Престон считает, что пещерные обсерватории в Калифорнии (XII-VII вв. до н. э.) являются аналогом "наземных обсерваторий" (1 тыс. до н. э.), которых много в пустыне Аризона. Имеется даже проект поиска изображений Сверхновых на стенах пещер, с тем чтобы пополнить имеющиеся данные об этом редком явлении (1700 г.- Кассиопея А, 1604 г.- Кеплера, 1572 г.- Тихо Браге и пр.).

В пещерном монастыре Красен (Болгария) имеется келья, в стене которой пробито овальное отверстие со средним диаметром 30 см. По расчетам, в XIII в. н. э. солнечный луч освещал икону, расположенную на противоположной стене кельи, только два раза в год: в Сретенье (2 февраля) и в Преображение (6 августа). Так в монастыре действовала астрономическая система, позволяющая точно определять наступление весны и церковного праздника, связанных с ожиданием богатого урожая в конце года.

К пещерным изображениям обращаются и в конце XX века. Французский ученый А. Лот считает, что фрески грота Тасилли (Сахара) изображают живых существ в скафандре. Такой же рисунок найден в Японии. Возраст их одинаков - около 5 тыс. лет. Во многих пещерах Франции и Испании (Трех Братьев, Нио, Альтамира) найдены наскальные рисунки, напоминающие неопознанные летающие объекты. Так ли это? Кто знает...

Таким образом, пещеры являются настоящей "каменной библиотекой", хранящей астральные и космические представления человечества, переплетающиеся с его повседневной, земной деятельностью. Э. Тайлор /26/ на обширном этнографическом материале проследил связь движения Солнца с загробным миром: "В силу самого простого поэтического сравнения с ежедневно восходящим и заходящим солнцем, олицетворяющим человеческую жизнь в прелести рассвета, в блеске полудня и в угасании при захождении, мифическая фантазия установила в религиозных верованиях всего мира, что страна отошедших от нас душ лежит на далеком западе или в подземном мире". Миф солнечного заката вошел в представления людей относительно будущей жизни, трансформировавшись из древних фантазий дикарей в догматы церковников средневековья и позднейших мистиков...

Итог всему подводит статья Г. Хофера, опубликованная в Вестнике Союза спелеологов Германии в 1993 г. Проанализировав планы и разрезы большого числа подземных обсерваторий, он дал общую схему перемещения солнечных лучей по полу и стенам пещеры на пртяжении года и суток (рис. 83). Очевидно, такой "механизм" работает в очень многих пещерах, надо только найти их.

Рис. 83. Пещера как естественная обсерватория (по Г. Хоферу, 1993).
А - годичный цикл (в разрезе пещеры): а - положение Солнца в разные месяцы;
б - солнцестояние: 1 - летнее, 2 - зимнее;
в - положение солнечного луча на полу и стене пещеры в разные месяцы.
Б - суточный цикл (в плане пещеры): г - положение Солнца в разные периоды светлого времени:
1 - утром, 2 - в полдень, 3 - вечером; д - световое отверстие пещеры; е - положение солнечного луча на полу пещеры
(характерные даты: ж - летнее (1) и зимнее (2) солнцестояния; равноденствие (3));
Рис. 83. Пещера как естественная обсерватория (по Г. Хоферу, 1993).


16.5. Симметрия удивительного мира

В 1982 г. Академия наук СССР пригласила в Крым президента Международного союза спелеологов Адольфо Ромеро Эразо. Подготовка его приема проходила нервно: на одном из ее этапов Адольфо прислал в академию оттиски своих работ, в том числе - заботливо переведенную на русский язык статью "О недиалектическом подходе к проблеме изучения карста". Это возмутило чиновников из УВС - управления внешних сношений: "Какой-то капиталист будет учить нас диалектике!" Пришлось долго объяснять, что Ромеро отнюдь не капиталист, а скромный профессор Мадридского университета, и пообещать "дать ему бой" по проблеме диалектики карста.

Однако давать бой не пришлось. Заметка Эразо лишь обращала внимание спелеологов на конвергентность (то есть сходство) отдельных форм и отложений в карбонатных, соляных и лавовых пещерах. В русскоязычной геологической литературе, неизвестной Эразо, имелось много публикаций о симметрии, так что произошел просто обмен информацией.

В чем же суть проблемы? Еще в 1884 г. Пьер Кюри, известный всему миру своими более поздними работами по изучению радиоактивности, выступил с небольшой заметкой "О симметрии физических явлений". Сейчас "принцип Кюри" используют сотни специалистов во всем мире. Дальше всех продвинулся ленинградский минералог Илларион Шафрановский, который в 1968 и 1975 гг. опубликовал две книги о симметрии в природе. Установлены основные понятия о геометрии природных форм, связанных с симметрией поля земного тяготения. Все, что растет или движется горизонтально либо наклонно к земной поверхности, подчиняется "билатеральной" симметрии (листья деревьев, бабочки, гусеницы и др.); вертикально (вверх или вниз) - "радиально-лучевой" симметрии (цветы, грибы и пр.). Были выведены основные элементы симметрии - плоскость, ось, центр (так сказать, симметрия в статике), трансляция, ось скользящего обращения и пр. (симметрия в динамике).

Особенно далеко в изучении симметрии продвинулись минералоги. Изучая форму и строение кристаллов сперва невооруженным глазом, а затем - с помощью линзового и электронного микроскопов, А. В. Шубников, О. Браве, Е. Федоров, Н. Белов все глубже проникали в тайны неживой природы. Все богатство мира минералов - это комбинация 32 видов конечной и 230 групп бесконечной симметрии. Если симметрия кристаллов не согласуется с симметрией среды, возникают асимметричные фигуры. Не менее ярко законы симметрии проявляются и в живой природе - от простейших, имеющих шаровую форму, до позвоночных, где законы симметрии "замаскированы" зеркальной асимметрией, киральностью (правое - левое) и винтовыми осями вращения...

Но вернемся к спелеологии. Специалисты-геологи обычно ограничиваются простейшими примерами - сталактитами, сталагмитами и кристаллами, свободно растущими на стенах пещер. На самом деле примеров много больше, и они значительно глубже раскрывают роль симметрии в формировании подземного мира. Мы уже говорили о множестве генетических групп, классов, подклассов и типов подземных пространств. Красноярский спелеолог Р. Цыкин, выполнив структурно-морфологический анализ нескольких сотен различных полостей, предложил выделять четыре элементарных класса: галереи, гроты (залы), щели, колодцы. Их образование связано с использованием двух систем трещин, линия пересечения которых занимает в пространстве произвольное положение (от горизонтального до вертикального). Объединяясь, полости разных классов образуют структурные решетки: цепочечную, каскадную, спиральную, корневидную, сетчатую, слоевую и каркасную. К сожалению, эти интересные идеи не получили дальнейшего развития.

А. Эразо обратил в своей статье внимание на динамическое сходство процессов спелеогенеза, проявляющееся в том, что разные процессы (движение воды, воздуха и пр.) сохраняют пропорциональность сил и градиентов независимо от их абсолютной величины. Это означает возможность моделирования медленно протекающих в природных условиях процессов (пещеры иногда образуются миллионы лет!) в лабораторных условиях. В статье рассматривались только простейшие примеры: кальцитовые, ледяные и лавовые сталактиты и пр. Между тем имеются и более глубокие, до сих пор неразгаданные аналогии.

Украинский спелеолог А. Б. Климчук объяснил формирование гипсовых лабиринтов Подолии вертикальным водообменом между водоносными горизонтами этажной артезианской системы. Лабиринтовые сети формировались за счет рассеянного восходящего питания, что обусловило равномерное коррозионнное расширение всех имеющихся спелеоинициирующих трещин. Неожиданно обнаружилась удивительная гомологичность пещерной сети с фрактальными кластерами шаровых молний, которые имели в миллиард раз (!) меньшие размеры (рис. 84). Согласно исследованиям физиков фрактальные кластеры, составляющие как бы каркас шаровой молнии, формируются при ассоциации твердых аэрозолей или пылинок. Это единственная структура, способная объяснить легкость и жесткость каркаса. Подобные структуры возникают при многих гидродинамических и биофизических явлениях. Имеют ли они связь с процессами спелеогенеза? Это покажут дальнейшие исследования.

Рис. 84. Гомологичность элемента Оптимистической пещеры,
Подолия (А) и фрактального кластера, входящего в каркас шаровой молнии
(Б). Разница в масштабах миллиард раз!
Рис. 84. Гомологичность элемента Оптимистической пещеры, Подолия (А) и фрактального кластера, входящего в каркас шаровой молнии (Б). Разница в масштабах миллиард раз!

Итак, система пещер обладает симметрией на высшем уровне - отдельной полости или образующей ее сети ходов. Спустимся на второй уровень. Спелеологи хорошо знают, что в поперечном сечении, в зависимости от геологического строения (монолитные, неслоистые породы или слоистая толща, падающая под углами от 0 до 90°) и условий образования (вадозные или фреатические), все пещеры имеют одинаковые элементарные сечения: круговое, эллиптическое, прямоугольное, квадратное, трапециевидное или треугольное. Все их многообразие - это осложнение исходных форм или их комбинация. Самый известный случай - сечение "замочная скважина" - округлый ход, прорезанный снизу вертикальной щелью (это свидетельствует о проработке пещеры в две стадии - сперва напорным, а затем безнапорным потоком).

Третий уровень - форма отложений разного генезиса. Симметрией часто обладают обвальные отложения. В зависимости от особенностей залегания и трещиноватости вмещающих пород в их составе нередки глыбы, близкие по форме к параллелепипеду. Водные механические отложения обладают симметрией более высокого порядка. В руслах подземных потоков формируются песчано-галечниковые отложения разной степени окатанности. Их очертания соответствуют кругам и эллипсам, а объем - трехосному эллипсоиду, обладающему тремя осями, тремя плоскостями и одним центром симметрии. Степень окатанности (то есть округления ребер первичного обломка) и соотношение осей эллипсоида характеризуют дальность транспортировки и расход водного потока. Если обломки горной породы выносятся из сифонных каналов, то возникает более высокая симметрия: эллипсоид превращается в шар с коэффициентом сферичности до 0,95. Если на полу пещеры встречается "пятно" хорошо отсортированного песчаного, гравийного или галечникового материала, то опытный спелеолог немедленно начнет искать сифонный канал, из которого в паводок вырывается поток воды. Зная размеры окатанных обломков, можно определить его скорость и расход. В отдельных случаях возможно образование довольно крупных шаров, имеющих диаметр до 10 см. Такие "окатыши" обнаружены на подводных полках в сифоне Пания в Крыму. В редких случаях под землей встречаются валуны диаметром более 0,5 м, занесенные с поверхности или образованные на месте. Так, в Нижней Шакуранской пещере (Грузия) гранитные валуны диаметром до 200 мм встречаются на расстоянии более 2 км от входа в систему.

Рис. 85. Поверхность модуля гамма-функции Эйлера
и цепочка сталагмитов под фильтрующей трещиной - гомологи.
Рис. 85. Поверхность модуля гамма-функции Эйлера и цепочка сталагмитов под фильтрующей трещиной - гомологи.

Какие ассоциации возникают у спелеолога при взгляде на рис. 85? Конечно же, это цепочка сталагмитов, образовавшихся на полу пещеры под трещиной в ее своде, скажут они. Но математик сразу поймет, что это - иллюстрация к книге, состоящей только из колонок цифр - "сборника таблиц специальных функций"... На рисунке изображена поверхность модуля комплексной гамма-функции Эйлера.

Кроме сталактитов и сталагмитов симметрией часто обладают и другие водные хемогенные отложения. Один из примеров - "пещерный жемчуг" - округлые стяжения кальцита, состоящие из полугодичных слоев карбоната кальция, разделенных более тонкими карбонатно-глинистыми прослойками. Любопытно, что на начальном этапе жемчужинки могут и не обладать симметрией: "затравкой" для них служит песчинка, обломок натека или косточки позвоночного. Но постепенно он "обрастает" кальцитом и приобретает все более округлые формы; в конце концов образуется жемчужина, имеющая симметрию шара. Описаны, правда, удивительные жемчужины, обладающие симметрией куба (пещера Кастельгард, Канада) или эллипсоида (пещера Эгиз-Тинах-3, Украина).

В великолепной монографии К. Хилл и П. Форти /36/ описано около 170 "пещерных" минералов. Многие из них обладают симметрией разных категорий - от низшей (отсутствие осей симметрии порядка выше 2) до высшей (имеется несколько осей симметрии). Один из самых удивительных случаев - спиральный кристалл малахита длиной 3 мм из пещеры в Австрии. Интересно, что спираль имеет правую закрутку. Возможно, это связано с действием силы Кориолиса, которая в Северном полушарии вследствие вращения Земли отклоняет все движущиеся потоки вправо. Но сказывается ли она на росте кристаллов? Эксперименты с органическими соединениями (сок каучуковых деревьев) в США всегда давали правозакрученную спираль, а в Австралии, где сила Кориолиса "работает" влево, на каждые 3 левозакрученных приходился один правозакрученный кристалл... Причины такого поведения кристаллов пока не ясны.

В монографии И. И. Шафрановского /29/ подобраны многочисленные примеры симметрии в мире неживой природы. Их следует дополнить и приведенными примерами из пещер. Кроме "билатеральной" симметрии разных представителей спелеофауны надо вспомнить и о "поведенческой" симметрии летучих мышей. Как мы уже рассказывали, их стаи обычно образуют на вылете "правовращающий" вихрь. Но в пещерах близ Карловых Вар (Чехия) они почему-то кружатся по спирали, закрученной против часовой стрелки...

Рис. 86. Строение сталактита (А) и псевдосталактита (Б). Пунктир - ось симметрии.
Рис. 86. Строение сталактита (А) и псевдосталактита (Б). Пунктир - ось симметрии.

На этом можно было бы закончить рассказ о симметрии подземного мира, если бы не псевдосталактиты. Еще в 1916 г. А. Е. Ферсман указывал, что сталактиты могут быть сложены не только кальцитом (СаСО3), но и кремнеземом (SiO2). Сейчас известно, что капельные формы, имеющие симметрию конуса, образуют десятки минералов классов карбонатов, сульфатов, галоидов, нитратов, фосфатов, оксидов и гидрооксидов. Но одновременно выяснилось, что такие минералы, как скрытокристаллическая разность кварца - халцедон (SiO2) и серный колчедан - пирит (FeS2), образуют псевдосталактиты. Этот термин предложил Р. Лизеганг, очевидно имея в виду сходство отдельных сосулек со сталактитами пещер. Но сходство это чисто внешнее: псевдосталактит имеет симметрию цилиндра, разветвляется или изгибается под углами до 180° (рис. 86).

Затем выявились и более глубокие отличия: сталактиты растут в воздушной среде, подчиняясь силе тяжести, а псевдосталактиты - в растворе солей, заполняющем камеру, и не зависят от нее... Решение проблемы зашло в тупик. Русский минералог Ф. В. Чухров в 1940 г. предложил мембранно-осмотическую гипотезу. Сперва полость заполнилась раствором силикатов щелочных металлов. Затем через поры в известняке начали поступать растворы солей железа, марганца и пр. В устьях пор они приходили в соприкосновение с раствором, и стенки полости покрылись мембранной пленкой. Осмотическое давление отрывало ее от стены и формировало мембранные трубки с изгибами и ветвями, которые затем заполнялись сферолитами халцедона.

Разработка проблемы симметрии карстовых полостей еще только начата. Для выявления ее законов следует привлечь учение о симметрии подобия А. В. Шубникова, идеи о криволинейной симметрии Д. В. Наливкина, цветную симметрию Н. В. Белова, гомологию В. И. Михеева и А. Р. Эразо. Видите, как далеко завели нас чиновники из УВС...

16.6. Небожители спускаются е пещеры

В середине XX в. классическая "телескопная" астрономия получила мощную поддержку - начали бурно развиваться радиоастрономия и астрофизика. В 1959 г. М. А. Марков выдвинул идею проведения крупномасштабных экспериментов для изучения нейтрино - удивительных частиц материи, возникающих при ядерных реакциях превращения четырех ядер водорода в гелий. Источниками нейтрино являются Солнце и далекий Космос. Они обладают колоссальной проникающей способностью и поддаются изучению только с помощью огромных детекторов массой 90-8000 т, спрятанных глубоко под землю.

Первая подземная установка была создана в действующей золотодобывающей шахте Колар (Южная Индия, глубина 2900 м). Сейчас работает более десятка различных установок, размещенных в золотодобывающих шахтах Южной Африки и США (2500-3000 м), в тоннелях под Альпами (2500- 2700 м), в горизонтальных штольнях Баксанского ущелья (100-2000 м), в соляных шахтах Артемовска (300 м) и др. На них решаются разные задачи: регистрация "солнечных" нейтрино и их осцилляции, выявление безнейтринного b-распада, распада протонов, фиксация нейтрино при рождении Сверхновых звезд (к радости астрономов, это редкое явление, наблюдающееся один-два раза в столетие, произошло в феврале 1987 г.), регистрация монополей, возникающих при галактических взаимодействиях, и пр. ... Это дорогостоящие уникальные эксперименты, для проведения которых создаются международные коллективы.

Шахты и штольни скоро перестали удовлетворять астрономов по размерам, расположению, по возможностям использования. Действующие шахты создают пылевые, температурные, электрические помехи, а их закрытие как нерентабельных иногда приводит к ликвидации астрофизических лабораторий. Это вдохновило "небожителей" на новые подвиги: если нет подходящих пространств - их надо создать! В 1954 г. была учреждена Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Вскоре в Швейцарии было построено самое большое в мире сооружение для изучения ядерных частиц - кольцевой ускоритель длиной 26,6 км, залегающий на глубине 50-170 м под землей. Диаметр его галерей составлял 3,8 м. Ускорители меньших размеров (1,5-3 км) сооружены под Мюнхеном (Германия), в Протвино (Россия), в Техасе (США). Как будут использоваться эти подземные пространства после завершения экспериментов? Не придется ли исследовать их спелеологам XXI или XXII веков?

Иногда различные подземные пространства используются не только для изучения Космоса, но и для защиты от его проявлений. Согласно одной из гипотез развития человека (В. Г. Власов), в 44-42 тыс. до н. э. произошла инверсия магнитного поля Земли и резкое усиление ионизирующего излучения. Это привело к усилению гроз, спасаясь от которых люди начали укрываться в пещерах. То же происходило при появлении на небосводе крупных комет. Так, в 1910 г. комета Галлея вызвала панику в Северной Америке. В штатах Вирджиния и Кентукки, особенно богатых карстовыми формами, люди укрывались от ее "гнева" в пещерах. Паника не миновала и Европу - недаром Н. Н. Гумилев откликнулся на это событие строками:

Комет бегущих душный чад
Убьет остатки атмосферы,
И диким ревом закричат
Пустыни, горы и пещеры.

Интересно, что в последние годы под землей были обнаружены и более вещественные примеры связи с Космосом. Детальное изучение минеральных отложений подземных рек Крыма выявило в его составе более 30 различных минералов. Это естественный обогащенный шлих, в котором происходит накопление минералов, даже в малых количествах рассеянных во вмещающих известняках. Поэтому неудивительно, что некоторые минералы были обнаружены в пещерах раньше, чем на поверхности (галенит, сфалерит, касситерит, апатит и пр.).

Неожиданностью стало другое - нахождение геологом и спелеологом Ю. Полкановым отдельных зерен минералов космогенного (метеоритного) происхождения - муассанита (SiC), когенита (Fe3C), самородного железа с характерными видманштеттовыми фигурами травления и шариков, состоящих из железа (Fe) и иоцита (FeO).

Исследования космических лучей, проведенные под землей, показали, что применяемые методы могут быть полезны и для "землян". Калибровочная кривая поглощения потоков мюонов в "стандартном грунте" (в пересчете на эквивалентную по весу толщу воды) позволяет "просвечивать" верхние слои земной коры. При этом решаются разные задачи: проверяется глубина заложения тоннелей при их проходке, уточняется геологический разрез, определяется положение рудных тел, зон нарушений под горными выработками и карстовыми полостями, определяется плотность горных пород и давление на грунт разных сооружений. При строительстве подземного комплекса "Охотный ряд" возникла необходимость уточнить давление на грунт гостиницы "Москва". Вес здания, определенный с помощью мюонного телескопа, оказался равным 45 тыс. т, что эквивалентно давлению 1,1 кг/см2. С помощью регистрации космических лучей была просвечена из погребальной камеры пирамида Хефрена. Никаких пустот в ее верхней части не оказалось.

В ряде пещер мира (Имре-Вашш, Венгрия; Кунгурская, Россия; Эмине-Баир-Хосар, Украина) успешно работали различные приборы (наклономеры, деформографы, интерферометры), фиксирующие сейсмическую активность и "твердые приливы" - прохождение лунной и солнечной приливных волн через горные породы, вызывающее ритмические сдвижение-раздвижение стенок пещер и изменение водопритока из пор и трещин.

При подготовке полета к Марсу американские астрономы столкнулись со сложной проблемой: как доказать наличие или отсутствие на нем жизни? Ответ пришел из пещер. Из светляков пещеры Уайтомо (Новая Зеландия) было выделено органическое вещество люциферин и фермент люцифераза. Они начинают светиться только в присутствии аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ. На Марс была отправлена капсула с экстрактом из светляков и прибором, регистрирующим световое излучение. Излучение зарегистрировано не было...

В 90-е гг. неожиданно наметился еще один аспект проблемы изучения пещер. Серьезные исследователи США, представляющие разные научные направления (геологию, геохимию, микробиологию, аэронавтику), предложили использовать огромную (свыше 140 км!) пещеру Лечугия, недавно открытую в Карсбадском национальном парке, как полигон для отработки методик и технологий исследований по программе поисков жизни на Марсе. Основное внимание следует уделить геохимии вмещающих пород как возможной питательной среде микроорганизмов и геомикрофлоры, изучению микробных сообществ, обитающих в пещере.

Так смыкаются подземные и космические проблемы. Хотим мы или нет, но все земляне - пассажиры огромного звездолета, несущегося в бескрайних просторах Космоса. И, выходя из пещер, мы прежде всего видим над собою Небо...

16.7. На встречу с селенитами

В декабре 1969 г. венгерский спелеолог Г. Денеш разослал друзьям традиционный рисунок - поздравление с Новым годом. На сей раз он изображал земных спелеологов в летящей к Луне ракете, использующей "двойную тягу" - тройку летучих мышей и газ, выходящий из бутылки с шампанским (рис. 87). В каждой шутке есть доля истины. Что же ждет спелеологов на других небесных телах?

Рис. 87. Новогоднее поздравление венгерского спелеолога Г.Денеша.
Рис. 87. Новогоднее поздравление венгерского спелеолога Г.Денеша.

В 1901 г. Герберт Уэллс в фантастическом романе "Первые люди на Луне" описал огромные пещеры, галереи и шахты, построенные селенитами. А в 1923 А. Толстой в романе "Аэлита" поведал о вулканических и карстовых пещерах Марса, где укрывалась от пронизывающей стужи близкая землянам цивилизация...

Но уже в 80-е гг. XX в. начали появляться статьи на страницах научных журналов, в которых обсуждается удивительное сходство между формой и размерами лунных кратеров и провалами над вулканическими и карстовыми пещерами (В. Холлидей), доказывается возможность существования тектонических, лавовых, суффозионных и термокарстовых полостей на Марсе (Д. Бейкер, Р. Стром), упоминается о наличии пустот, напоминающих карстовые, на спутнике Юпитера Ганимед (Дж. Бири). Полученные "Вояджером" снимки его второго спутника - Европы, выявили мощную ледяную кору, в которой возможно существование ледниковых пещер. В 60-е гг. во многих районах Земли были обнаружены гидратные залежи углеводородных газов. Один объем воды в гидратном состоянии связывает до 300 объемов газа. Гидраты внешне схожи со спрессованным снегом или молодым льдом. Гляциолог И. Д. Данилов (1990) предположил, что в газогидратных толщах некоторых планет (например, Марса) возможно формирование пещер. Сейсмометры, установленные на Луне, отреагировали на падение последней ступени лунной ракеты своеобразно: многие ученые склонны винить в этом имеющиеся в ее теле пустоты...

Пока это только смелые гипотезы, но кто знает, что ждет спелеологов в Космосе в XXI веке?





Статистика посещений. Разработано schum.kiev.ua
Created by last updated 07.06.2007