XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование карстовых пещер
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С глубокой древности подземный мир пещер притягивал человека. Люди находили в пещерах укрытие, вели примитивную добычу минералов, делали первые шаги в изобразительном искусстве. Спустя тысячи лет под землю спустились первые исследователи, стремившиеся понять, в результате каких природных процессов образовались столь грандиозные подземные царства.
«Что может быть замечательнее и интереснее пещер? Узкий извилистый вход, темно и сыро. Ходы тянутся, ветвятся, то неожиданно расширяясь в целые залы, то круто спускаясь вниз, то обрываясь пропастями, то превращаясь в узкие щели. К причудливой форме пещеры примешиваются и шелест летучих мышей, и тихий мерный шум падающих капель, и глухие раскаты обрывающихся под ногами камней. Но что особенно замечательно в пещерах – это их нарядное, иногда пышное убранство, то из белоснежных нежных узоров, то из высоких колонн, стройных, как молодой лес, то из длинных свешивающихся сверху сосулек, гирлянд, занавесей. Белые, желтые, красные минералы своими отложениями покрывают стенки пещер. В их причудливых формах чудятся таинственные диковины, напоминающие то фигуры каких-то застывших великанов, то кости гигантских ящеров». Так описывает свои впечатления от изучения пещер советский геолог Александр Ферсман [9, с.27].
Мне раньше доводилось бывать в пещерах, расположенных на Северном Кавказе: в пещере первобытного человека и в пещере вечной мерзлоты на склонах горы Развалка в Железноводске, в пещерах горы Кольцо на окраине Кисловодска, в знаменитой подземной пещере Провал в Пятигорске. Но там мне не встречались те красоты, о которых пишет Александр Ферсман. Так у меня появилась идея попробовать себя в роли спелеотуриста и посетить пещеры с целью исследования процессов их образования. Я заинтересовался вопросом, возможно ли найти пещеры в Ярославской области? Однако, изучив причины их образования, понял, что из-за отсутствия гор и тектонических процессов в нашем крае, возникновение карстовых пещер невозможно. И в качестве объекта исследования я выбрал карстовые пещеры Архангельской области.
Цель работы: исследование явления карста и образцов пород, добытых в карстовых пещерах.
Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели:
познакомиться с историей изучения карстовых пещер и механизмом их образования;
совершить спелеологическую экспедицию в карстовые пещеры Архангельской области;
провести исследование найденных в карстовых пещерах образцов пород;
создать модель пещеры и провести эксперимент по выращиванию сталактитов;
составить буклет по основным правилам спелеотуризма и охране пещер.
Предмет исследования: карстовые явления.
Объект исследования: Пинежские карстовые пещеры Архангельской области.
Актуальность исследования: привлечение внимания к изучению карстовых явлений и охране пещер от негативного воздействия деятельности человека. Можно предположить, что результаты данного исследования вызовут интерес к таким природным объектам, как пещеры, и занятию спелеотуризмом.
Методы исследования:анализ литературы по теме исследования, наблюдение, сравнение, эксперимент.
1 Изучение пещер и карстовых явлений
1.1 Понятие пещеры.
Пещера – это подземное пространство естественного происхождения. Оно находится в верхней части земной коры. Это подземное пространство связано с поверхностью одним или несколькими входными отверстиями и доступно для изучения человеком. Пещеры являются особым природным комплексом. Они имеют свой особенный климат, растительный и животный мир. Большие пещеры могут состоять из сложной системы проходов и залов. Пещеры являются объектом изучения науки спелеологии. [6, с.90].
1.2 Классификация пещер.
Пещеры по их происхождению можно разделить на пять групп [5, с.22]:
тектонические (возникают в результате образования тектонических разломов);
эрозионные (образуются в результате действия ветра или поверхностных вод);
ледниковые (возникают в ледниках под действием талой воды);
вулканические (образуются при извержениях вулканов);
карстовые (возникают вследствие растворения пород водой).
Изученные и исследованные пещеры на территории Российской Федерации внесены в информационно-поисковую систему «Пещеры» [10]. Их описание приведено в атласе пещер России [2]. Наиболее распространёнными в нашей стране являются карстовые пещеры.
Карст (карстовые явления) – это совокупность процессов, связанных с деятельностью воды. Оно выражается в растворении и вымывании горных пород с последующим образованием пустот и пещер. Карст встречается там, где распространены растворимые породы (известняк, доломит, гипс). Карстовые явления сопровождаются образованием отложений: сталактитов (сосулька, свисающая с потолка пещеры), сталагмитов (сосулька, растущая с пола пещеры) и сталагнатов (сросшийся сталактит со сталагмитом) [3, с.3].
1.3 Вклад ученых в изучение карста и карстовых пещер.
Первые шаги в подробном описании земных полостей наши соотечественники стали делать в начале XVIII века. Большую роль в заложении фундаментальных основ тогда ещё формирующейся науки о пещерах – спелеологии – сыграл знаменитый русский учёный М.В. Ломоносов. Цикл его работ, посвященных геологии и рудному делу, затрагивал и карстовые процессы. Так, в «Слове о рождении металлов от трясения земли…» (1757 г.) Ломоносов характеризует сущность карста: «дождевая вода, когда горы проницает, тончайшие земляные частицы, из которых камни сседатся, в себе разводит, и от тех силу получает другие тела претворять в камень, оставя в их скважинах оные частицы, которые прежде из каменной горы взяла с собою. Доказывают сие многие пещеры и рудокопные ямы, в которых капающая вода оставляет нарослый камень по стенам и сводам». Отдельное внимание он обратил на вторичное минералообразование, связанное с карстом: «Между тем дождевая вода сквозь внутренние горы процеживается, и распущенные в ней минералы несет с собою, и в оные расселины выжиманием или капаньем вступает, каменную материю в них оставляет таким количеством, что в несколько времени наполняет все оные полости». В работе «О слоях земных» (1763 г.) он впервые классифицировал пещерные образования на «горные накипи», «капь верхнюю» и «капь нижнюю», раскрыл суть явления: «Накипи обыкновенно занимают стены в шахтах и штольнах. Капь верхняя подобна со всем ледяным сосулькам. Сквозь сосульки, коих иногда много разной длины и толщины вместе срослись, проходят сверху вертикальные скважины разной ширины, из коих горная вода каплет, долготу их наращает и производит капь нижнюю, которая растет от падающих капель из верхних сосулек».
С середины XIX века исследование карста и пещер выходит на новый уровень. Этому способствуют потребность в полезных ископаемых и развитие железнодорожного сообщения. Основателем отечественного карстоведения считается А.А. Крубер Он впервые провёл карстово-спелеологические исследования в Крыму, изучал циркуляцию подземных вод и представил примеры различных карстовых явлений. Крубер описал пещеры и шахты, систематизировал их, выделив стадии развития, рассмотрел особенности микроклимата и условия накопления подземного льда. В статье «Карстовыя явления в России» (1900 год) он раскрыл основные факторы, влияющие на рост отложений: «В жизни пещер мы можем различать две стадии: стадию выработки пещеры и стадию заполнения ея натёчными образованиями. Многочисленные наблюдения показали, что рост сталактитов и сталагмитов происходит с весьма различной быстротой и зависит главным образом от состава горных пород и количества просачивающейся через неё воды»[4, с.14-41].
В ХХ веке в нашей стране зародилось спелеологическое движение. Образовались спелеологические клубы и секции, объединявшие туристов и энтузиастов. Это позволило наладить обмен опытом, поднять теоретический уровень советской спелеологии. Учёные и спортсмены удачно дополняли друг друга в экспедициях, обеспечивая высокую эффективность исследований. Были исследованы тысячи ранее неизвестных пещер, был создан Институт карстоведения и спелеологии. Большой вклад в изучение карста и пещер внесли советские ученые Г.А. Максимович, Н.А. Гвоздецкий, В.Н. Дублянский.
И в XXI веке ежегодно в России открываются десятки новых пещер. Развивается спелеотуризм, как способ знакомства с природой, таинственностью и красотой пещер.
2 Семейная спелеологическая экспедиция
В новогодние праздники мы с семьёй совершили путешествие в город Архангельск. На севере Архангельской области в Пинежском государственном заповеднике располагается уникальный карстовый массив. Именно здесь, в 160 километрах от Архангельска, среди дремучих лесов тайги по берегам реки Пинега угнездились многочисленные пещеры. Всего в Архангельской области зарегистрирована 471 пещера, из них на территории Пинежья – 140 пещер [11].
В пермском периоде (около 290 млн. лет назад) здесь возникли залежи растворимых пород: гипсов и ангидритов. Мощное таяние ледников и неотектонические поднятия в эпоху среднего плейстоцена (около 700 тысяч лет назад) положили начало образованию пещер. Пинежские пещеры – результат мощных карстовых процессов. Они сформировались в результате растворяющего и размывающего воздействия подземных вод на растворимые породы. Развитие карста в пещерах продолжается и в настоящее время [12].
Природа щедро украсила пещеры Пинежья разнообразными ледяными образованиями, создав в них неповторимую зимнюю сказку: ледяные кристаллы, ледяные коры, сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, покровные льды, подземные наледи, ледники и жильные ледяные тела. Образование подземных льдов связано с особенностями климата территории заповедника и микроклимата пещер: низкими среднегодовыми температурами воздуха, высокая влажность и незначительные скорости движения воздушных потоков [8, с.24].
2 января 2021 года мы отправились на экскурсию «Пинежские пещеры – ледяные чертоги Русского Севера». Дорога до пещер на машине заняла почти 3 часа. Она проходила по живописной местности Пинежского края. Во время дороги экскурсовод-спелеолог Софья рассказала об истории возникновения пещер, об их климате и строении, а также основные правила поведения в пещерах. И вот она, долгожданная остановка. Надев теплые вещи, захватив с собой фонарики и фотоаппарат, мы отправились в путь. Узенькая, заснеженная тропинка вначале петляла по лесу, а потом вывела на покрытый льдом водоём, который с двух сторон окружали скалы. Это место называлось лог Городище [7, с.5]. Именно здесь, в скалах были расположены входы в пещеры. В эти пещеры можно попасть только зимой, так как летом они заполнены водой.
Мы посетили 4 карстовые пещеры (Приложение 1):
Первая пещера «Медео» была неглубокой, но в ней царила таинственная атмосфера и находилось много сталактитов. Пещера имеет низкий свод, что позволяет передвигаться по её залу лишь на коленях. Гладкие стены пещеры свидетельствуют об интенсивном размыве гипса. Пол в пещере перекрыт тонким покровным льдом, образовавшимся после поступления из лога паводковых вод.
Вторая пещера «имени Александра Терещенко» носит имя ленинградского спелеолога, погибшего в 1968 году при исследованиях пещер на Кавказе. В этой пещере имеется несколько залов с ледяными образованиями (сталактитами, сталагмитами и сталагнатами), но в основном пещера имеет сложный лабиринт ходов с шириной от 1,5 до 3,5 м. Наиболее характерная форма ходов – округлые туннели высотой от 1 до 1,5 м. В некоторых местах в результате растворения известняков сформировались кальцитовые образования бурого цвета – натечные коры и сталактиты. Мы двигались по лабиринтам пещеры в соответствии с маршрутом, указанным на карте (Приложение 7) и прошли (местами проползли) около 200 метров.
Третья пещера «Эталонная» представляет собой длинный ход с множеством гротов по бокам и в конце туннеля, где царят вечный холод и густой мрак. В пещере имеются образования в форме ледяных колонн (толстые сталагнаты). Стены пещеры выложены слоистыми породами (доломитом и селенитом). В пещере высокая влажность, по ледяным образованиям сочится вода, звуком падающих капель нарушая тишину.
Четвёртая пещера «Капитан Немо» состоит из нескольких галерей, стены которых покрыты ледяными кристаллами разной формы. В одной галерее кристаллы в форме иголок, в другой галерее – в форме пластинок, в третьей – в форме мха. Разница в форме кристаллов обусловлена различиями в температуре и влажности воздуха. Также в пещере в большом количестве представлены сталактиты и сталагмиты. Сталактиты покрыты тонким белым известняковым налётом (на вкус – как будто попробовал мел). Сталагмиты представлены в виде закругленных, сверху уплощенных образований высотой до 1 м, диаметром до 10-15 см.
Посещение пещер произвело на меня глубокое впечатление: чувство прикосновения к такой древности, в которой еще не было места человечеству. Перед нами предстала картина, отбрасывающая нас на тысячи лет назад, в те времена, когда вокруг была только первозданная дикая природа. Находясь внутри пещер, понимаешь, какой огромный период времени должен был пройти, чтобы медленно, песчинка за песчинкой были проделаны внушительных размеров пещерные залы, коридоры, проходы. Сталактиты и сталагмиты, которые питаются каплями просачивающейся воды, впечатляют своей первозданной красотой. Подземный мир очень своеобразен и привлекателен для увлечённого им человека.
Фотоотчёт о спелеологической экспедиции представлен в приложениях (Приложения 2-6).
3 Исследование образцов пород, найденных в карстовых пещерах
Во время спелеологической экспедиции я взял образцы пород, находящихся у входа в пещеры. Образец 1 – предположительно известняк или гипс, и образец 2 – предположительно кальцит или доломит (Приложение 8). Я решил точно определить, что это за породы. Для этого я сначала изучил физические свойства каждой породы [1, с.51-52]. Затем составил таблицу основных характеристик найденных образцов (Приложение 9). В результате я определил отличительные особенности между известняком и гипсом, и между кальцитом и доломитом.
С помощью домашнего микроскопа Levenhuk я решил рассмотреть поверхность образцов пород и определить характерные различия между ними. В результате рассмотрения поверхности пород с увеличением 160 крат я увидел отличительные черты между образцами: образец 1 имел неровную поверхность излома с ярко выраженными кристаллами, образец 2 имеет сглаженную поверхность излома и выглядит как один целый большой кристалл (Приложение 8).
Дополнительно я провёл эксперимент по растворению пород в соляной кислоте, для чего поместил частицы на стеклах и капнул на них из пипетки соляной кислоты. Образец 1 сразу начал растворяться с выделением углекислого газа, образец 2 никак не отреагировал на кислоту (Приложение 10).
Сопоставив результаты проведённых экспериментов со свойствами пород я определил, что образец 1 – известняк, образец 2 – доломит. Обе породы легко выщелачиваются водами, богатыми углекислотой, и благодаря этому свойству в районах залегания известняковых пород развивается карст и образуются пещеры [5, с.27].
4 Выращивание сталактитов в искусственно созданной пещере
Чтобы подробно изучить процесс образования сталагмитов и сталактитов в карстовых пещерах был проведен опыт. Для этого был создан макет пещеры из камней. Между камнями пещеры оставлялись зазоры или трещины для просачивания жидкости с поверхности пещеры внутрь. Через некоторые трещины были опущены шерстяные ниточки для ускорения роста сталактитов. Концы ниток помещены в регулярно пополняемые сосуды с раствором соды. Также были обеспечены «реальные» природные условия – это влажность (пещера несколько раз в день опрыскивалась изнутри раствором соды) и создание микроклимата в виде кальцитовой коры на стенках и потолке пещеры (наносили содовый раствор на внутренние своды пещеры). Эксперимент проводился в течение пятнадцати дней.
Дневник эксперимента:
День 1 – собран макет пещеры, нитки и внутренняя часть постройки опрысканы содовым раствором, свободные концы ниток опущены в стакан с содовым раствором;
День 3 – на нитках начал образовываться белоснежный налёт;
День 5 – на внутренней стороне пещеры появилась белая плёнка, на нитках появились ярко выраженные кристаллы соды;
День 7 – на дне пещеры образовался слой с кристаллами соды, кристаллы на нитках увеличиваются в размерах;
День 10 – образовавшиеся ранее кристаллы соды увеличиваются в размерах и распространяются по всей пещере;
День 13 – все нитки и области вокруг них, включая внутренний свод пещеры, покрыты плотным осадком соды, начинают выделяться отдельные сталактиты и сталагмиты;
День 15 – сталактиты и сталагмиты увеличиваются в размерах, на сводах пещеры стойкая кальцитовая кора.
В результате опыта мне удалось смоделировать карстовую пещеру с определённым микроклиматом и вырастить натёчные образования – сталактиты и сталагмиты (Приложение 11). Особенности наблюдения заключаются в том, что скоростью роста сталактитов и сталагмитов можно управлять путем изменения таких факторов, как количество содового раствора, его концентрация, влажность, температуры воздуха. Проведение эксперимента дало наглядное представление о жизни внутри карстовых пещер. Из простых камней была сложена пещера, которая за две недели превратилась в карстовую, там образовались такие элементы карстовых пещер, как кальцитовая кора, сталагмиты, сталактиты и даже сталагнат, на образования которых в реальной природе уходят тысячи лет.
5 Оформление буклета по правилам спелеотуризма и охране пещер
Особенности подземной экосистемы, её уязвимость и фактическая неспособность восстанавливаться в прежнем виде, уникальность и особая важность для науки минералогических, палеозоологических и археологических находок определяют необходимость соблюдения спелеологами правил посещения и изучения пещер. Я провёл анализ литературы по спелеологии [2], [8] и информационных ресурсов в интернете [13], [14]. Нашёл и обобщил правила, направленные как на защиту подземного мира от влияния человека, так и на безопасность человека при его нахождении в пещерах. Результат этой работы я решил оформить в виде буклета, который может быть использован при организации спелеотуризма.
Для этого в программе Microsoft Publisher я использовал шаблон «Буклеты» и сформировал трёхстраничную брошюру (Приложение 12) с фотографиями Пинежских пещер, состоящую из следующих разделов:
- титульный лист с указанием наименования и автора;
- основные принципы спелеотуризма;
- правила поведения и безопасности в пещерах;
- выдержка из книги А. Ферсмана «Занимательная минералогия»;
- памятка о действиях в случае опасности.
Считаю, что брошюра будет интересна и пригодится всем путешественникам по пещерам и спелеотуристам.
Заключение
В результате выполнения исследовательской работы я понял, что изучать такие геологические памятники природы, как пещеры, всё равно, что совершать увлекательную экскурсию в далекое прошлое. Пещеры привлекают человека своей загадочностью, но в то же время являются очень хрупкими природными объектами. Именно поэтому большинство пещер располагаются на особо охраняемых природных территориях – заповедниках. К сожалению, у нас в Ярославской области отсутствуют пещерные массивы, так как в нашей местности не происходило процессов, благодаря которым они могли бы появиться. И я очень рад, что мне удалось совершить спелеологическую экспедицию по карстовым пещерам Русского Севера, как называют Пинежские пещеры.
Я узнал, что самыми многочисленными пещерами на Земле являются карстовые, а их главный строитель – вода. Для карстовых пещер характерны натёчные образования: сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, которые образуются в результате выделения солей из насыщенных вод, прошедших толщу пород и капающих с потолка пещер.
Цель моей работы была достигнута. В результате ее выполнения мне удалось решить все поставленные задачи: я познакомился с понятием карста и историей его изучения, воочию увидел красоты пещер Архангельской области, исследовал образцы пещерных пород – известняка и доломита, и даже провёл интереснейший эксперимент – создал макет пещеры с выращенными сталактитами. Итогом работы стало оформление буклета по основным правилам спелеотуризма и охране пещер, который можно использовать при организации экскурсий по пещерным массивам. Таким образом, написание работы принесло массу полезных знаний о подземном мире, а проведение эксперимента дало наглядное представление о жизни внутри карстовых пещер.
Список использованных источников
Ананьева Л.Г. Определитель минералов и горных пород. Учебное пособие (для учащихся школы юного геолога и студентов геологического профиля) − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2017. – 81 с.
Атлас пещер России / гл. ред. А.Л. Шелепин; чл. редкол.: Б.А. Вахрушев, А.А. Гунько, А.С. Гусев, А.И. Прохоренко, Г.В. Самохин, А.Г. Филиппов, Е.А. Цурихин. Русское географическое общество, Российский союз спелеологов.- М., 2019.
Гвоздецкий Н.А. Карстовые ландшафты – М.: Изд-во МГУ, 1988.-112 с.
Гвоздецкий Н.А. Проблемы изучения карста и практика – М.: Мысль, 1972.-393 с.
Дублянский В.Н. Занимательная спелеология – Челябинск:Урал ЛТД, 2000.-527 с.
Дублянский В.Н., Андрейчук В.Н. Терминология спелеологии – Екатеринбург: УрО АН СССР, 1991.-202 с.
Карстовые ландшафты Пинежья. Информационный буклет по государственному природному заповеднику «Пинежский» / под ред.О. Елизаровой, 2007.-15 с.
Пинежский карст. Путеводитель Международной конференции, посвященной 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова "Карстовые системы Севера в меняющейся среде"- М.: Изд-во, 2011. -208 с.
Ферсман А.Е. Занимательная минералогия – СПб.: ООО «Издательство «Пальмира», 2016.- 255 с.
Пещеры [Электронный ресурс]: Официальный сайт «Информационно-поисковая система «Пещеры».- режим доступа https://speleoatlas.ru (дата обращения: 06.01.2021)
Пинежский государственный природный заповедник [Электронный ресурс]: Официальный сайт «Государственный природный заповедник «Пинежский».- режим доступа http://www.zapovednik-pinega.ru (дата обращения: 06.01.2021)
Пинежский заповедник [Электронный ресурс]: Официальный сайт «Пещеры Севера».- режим доступа http://www.nordspeleo.ru (дата обращения: 06.01.2021)
Правила поведения в пещерах [Электронный ресурс]: Официальный сайт «Ассоциация спелеологов Урала».- режим доступа https://viv-asu.ru (дата обращения: 08.01.2021)
Правила поведения в пещерах [Электронный ресурс]: Официальный сайт «Свободный туризм».- режим доступа http://poxod.ru (дата обращения: 08.01.2021)
Приложения
Приложение 1
Параметры и особенности карстовых пещер.
Информация с сайта: https://speleoatlas.ru
Дата обращения: 06.01.2021
Приложение 2
Сталактиты в пещере «Медео».
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 02.01.2021
Приложение 3
Зал с ледяными образованиями в пещере «имени Александра Терещенко».
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 02.01.2021
Приложение 4
Ледяная колонна и слоистое залегание пород в пещере «Эталонная».
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 02.01.2021
Приложение 5
Ледяные кристаллы и сталагмиты в пещере «Капитан Немо».
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 02.01.2021
Приложение 6
Вход в пещеру «Капитан Немо
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 02.01.2021
Приложение 7
Карта пещеры «имени Александра Терещенко»
и маршрут передвижения по её лабиринтам.
Фото с сайта: http://www.zapovednik-pinega.ru
Дата обращения: 06.01.2021
Приложение 8
Внешний вид образцов пород на столе (в натуральную величину)
и при увеличении под микроскопом
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 06.01.2021
Приложение 9
|
Характеристика |
Образец 1 |
Образец 2 |
|||
|
Известняк |
Гипс |
Кальцит |
Доломит |
||
|
Цвет |
белый, серый, жёлтый |
белый, серый |
белый |
белый, желтоватый |
|
|
Блеск |
отсутствует |
стеклянный |
стеклянный |
матовый |
|
|
Поверхность |
зернистая |
однородная |
зернистая |
однородная |
|
|
Особые свойства |
хрупкий |
мягкий, царапается ногтём |
бурно «вскипает» в соляной кислоте |
очень медленно реагирует на соляную кислоту |
|
Сравнительные характеристики образцов.
Приложение 10
Эксперимент по растворению пород в соляной кислоте.
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 06.01.2021
Приложение 11
Эксперимент по выращиванию сталактитов в искусственно созданной пещере
Фото из семейного архива Багровых.
Дата снимка: 22.01.2021
Приложение 12
Буклет «Правила поведения в пещерах»