Азональная мерзлота

Изучение пространственных закономерностей изменения основных компонентов природной среды является одним из важнейших в естествознании. Характерные для географической оболочки общие закономерности ее функционирования являются следствием взаимопроникновения и взаимодействия географических сфер (литосферы, атмосферы, гидросферы и т. д.) [4, 10]. Знание закономерностей позволяет не только объяснить территориальные особенности отдельных районов Земли, но и подобрать наиболее удобные и благоприятные для различных видов природопользования территории.

К числу пространственных закономерностей развития геосистем относятся широтная зональность и азональность, высотная поясность и меридиональная секторность. Зональность выражается в закономерной смене географических зон от экватора к полюсам и в соответствующих изменениях климатических характеристик [1, 3]. Самой крупной широтной единицей географической оболочки является зона, выделяемая по особенностям радиационного баланса и общей циркуляции атмосферы. Солнечная радиация – главный источник энергии для процессов, протекающих на земной поверхности и в атмосфере, следовательно, в пределах зоны характерна относительная однородность климата, это же отражается и на большинстве других компонентах природы.

В силу разных орографических причин на Земле выделяется еще одна пространственная географическая закономерность – высотная поясность, представляющая последовательную смену природных условий и комплексов в горах снизу-вверх. Поясность [5, 8] обусловлена, прежде всего, сменой климатических показателей (солнечной радиации, температуры воздуха, плотности снега и количества осадков) при увеличении высоты в сочетании с экспозицией и крутизной склонов гор, удаленностью от морей и океанов, широтой местности. Высотные пояса при поднятии в горах снизу-вверх сменяются в последовательности, близкой к смене широтных зон при продвижении от места расположения горного массива на север. Однако имеются и отклонения от данной аналогии. Например, такие высотные пояса, как альпийские луга и высокогорные пустыни, среди широтных зон аналогов не имеют. На высотную поясность влияют также экспозиция и крутизна склонов гор, удаленность от морей и океанов, широта местности, положение по отношению к основным воздушным потокам, несущим влагу [3, 10]. Обычно выделяют высотную поясность двух типов: океаническую (приморскую), когда пояс древесной растительности начинается на равнине, и континентальную, когда древесно-кустарниковая формация начинается на некоторой высоте на склонах гор. Но все компоненты ландшафтной оболочки в системе высотной поясности развиваются иначе, чем в условиях широтной зональности.

Горные страны радикально отличаются от равнинных по гидротермическому режиму грунтов, почвенно-растительному покрову и общим путям эволюции геосистем. Каждая горная страна в зависимости от ее высоты и географического положения обладает своим спектром поясов. В целом, чем выше горы и чем ближе они к экватору, тем полнее спектр высотной поясности. Причем высота гор и их положение в той или иной широтной зоне оказывают независимое воздействие на степень развития высотной поясности. Так, например, Гималаи, находясь в тундре, несмотря на свою огромную высоту, обладали бы только одним высотным поясом – ледников и фирновых полей. Невысокие горы на экваторе тоже имели бы очень короткий набор высотных поясов.

Еще одним видом пространственной географической закономерности является меридиональная зональность, в настоящее время – секторность, обусловленная континентально-океанической системой циркуляции атмосферы. Уже давно было отмечено [2], что по мере удаления от океанических побережий вглубь материков происходит закономерная смена растительных сообществ, животного мира, почвенных типов.

Многообразие природных условий обусловливает, наряду с зональностью, формирование явления азональности, иногда именуемое региональностью и означающее распространение какого-либо географического явления вне связи с зональными особенностями данной территории. Основными причинами азональности обычно являются геологическое строение, литологические и тектонические особенности, характер рельефа и т.д. При наличии указанных факторов крупные участки географической оболочки приобретают индивидуальные неповторимые черты, усложняя ее структуру и нарушая общую схему зональности. Азональность наиболее часто и ярко проявляется в горах и предгорьях, может отмечаться в пределах одной или нескольких географических зон без преобладания по площади, как это происходит со сфагновыми болотами и лугами в тундре и тайге и т.д. Сочетание пространственных закономерностей природной среды многообразно и разнопланово само по себе. При этом с появлением в ландшафтной структуре многолетнемерзлых горных пород (ММП) все сложности понимания ландшафтно-мерзлотных связей многократно возрастают.

Как известно, тепловое поле горных пород формируется в результате сочетания экзогенных и эндогенных факторов. К первым относятся причины, обусловленные влиянием внешних компонентов природной среды, определяющих сложное сочетание поступающей к дневной поверхности солнечной энергии и её перераспределение в зависимости от свойств самой поверхности (местоположение, экспозиция, климат, увлажненность, растительный покров, цвет и т.д.). Экзогенные факторы определяют температурное поле верхних горизонтов горных пород, т.е. толщи мощностью в первые десятки метров. В пространственном распространении ММП обычно также просматриваются три географические закономерности: широтная зональность – изменение с юга на север, меридиональная секторность – с запада на восток, высотная поясность – с высотой. Первые две закономерности свойственны относительно выровненным, а третья – горным территориям.

Эндогенные факторы включают особенности поступления и перераспределения внутриземного потока энергии в зависимости от свойств более глубоких горизонтов горных пород и обусловливают как температурное поле мерзлой толщи, так и её морфологию.

Наряду с зональным, т.е. закономерным развитием ММП в соответствии с суровыми природными условиями, на земном шаре зафиксированы редкие и весьма любопытные примеры формирования мерзлых толщ горных пород в районах для этого явления, казалось бы, не подходящих. По орографическим характеристикам местоположения подобных явлений можно разделить на два типа: пещерные и высокогорные и, на наш взгляд, поименовать «мерзлота не на месте».

Цель настоящей публикации – осветить районы формирования этого азонального явления, его причины и последствия.

Мерзлые породы пещерного типа

КАВКАЗ. В качестве примера азонального развития ММП приведем факт формирования их очага в совершенно неблагоприятных для этого условиях Кавказа. В начале прошлого века в СМИ и специальной литературе широко обсуждалось обнаружение участка с очагом холода вблизи горы Развалка у городка Железноводск на курорте Кавказские Минеральные Воды (рис. 1, 2). Она находится примерно в полутора километрах от Железноводска и в 1961 г. была объявлена ландшафтным памятником природы [11]. Развалка – это гора-лакколит высотой около 925 м, несформировавшийся вулкан. Явление обнаружил и описал в 1901 г. геолог Э.Эйхельман. Летом из западной штольни постоянно дует поток воздуха со скоростью 3 м/сек. при температуре от 0 до -0,5°С. С момента обнаружения удивительной пещеры её природные условия почти не изменились, лишь внутри самой горы появилась система штолен длиной приблизительно 400 м, по которой примерно на расстоянии 150 м можно достичь каменного завала. Для изучения странного феномена горы в середине XX века в пещеру спускались партии геологов, которые и проложили внутри несколько штолен от которых отходят небольшие боковые тоннели с искусственными пещерками, раньше использовавшиеся для хранения продуктов.

Вблизи зарослей пальм и иной тропической растительности, как это удалось видеть автору, располагался участок, в пределах которого отчетливо проявляется «дыхание холода». В сооружении «грот «вечной мерзлоты» создано небольшое углубление, в котором, даже при наружной температуре воздуха около 30°С, видны кристаллы льда. Разовые замеры геологов зафиксировали в пещере температуры воздуха около 0,5°С, мало меняющиеся в течении года при наружной средней годовой температуре 8,2°С. Мнений о причинах формирования этого явления высказывалось множество, ближе всего нам идея одного из специалистов местной гидрогеологической экспедиции о его физико-геологической природе.

Рис. 1. Гора Развалка. Фото Г.Шефер. Электронный ресурс, сайт «Дороги Мира» (http://worldroads.ru/peshhera-vechnoy-merzlotyi-v-zheleznovodske)

Район КавМинВод сейсмически очень активен и при очередных подвижках земной коры на участке сформировалась небольшая трещина, по которой под давлением начал выходить углекислый газ. При поступлении к поверхности, за счет известного адиабатического эффекта, температура пород понизилась. Расчеты геологов подтвердили возможность подобного хода событий.

Но существует и иная точка зрения. Зимой хотя и в редкие, но ощутимо холодные дни, из-за разницы давлений воздуха в свободной атмосфере и в толще горного массива через многочисленные трещины внутрь успевает проникнуть низкотемпературный воздух. С наступлением лета и прогревом горных пород, процесс начинает работать в обратном направлении – холодный и более плотный воздух понемногу расширяется и вытекает из горного массива. Таким образом, чем холоднее предыдущая зима, тем отчетливее ощущается холод летом.

Рис. 2. Вход в пещеру «вечной мерзлоты». 2015 г. Фото Г.Шефер. Электронный ресурс, сайт «Дороги Мира» (http://worldroads.ru/peshhera-vechnoy-merzlotyi-v-zheleznovodske)

В теплое время на стенах грота появляется конденсат, который, стекая у северного подножья, образует источник, ранее называемый «Графским». Вода из него поступала в город, где использовалась для разбавления горячих минеральных вод Железноводска: это самый холодный источник на всех КавМинВодах с температурой не выше +5°C.

Итак, гора Развалка на Кавказских Минеральных Водах известна своим феноменом «летней мерзлоты». Благодаря уникальной системе расщелин в теле горы происходит естественная циркуляция воздуха – зимой холодный воздух, согласно законам физики, перемещается в тело горы, одновременно выдавливая оттуда сравнительно более теплый [11]. Летом же воздух начинает прогреваться и выходить наружу. Однако он так и остается гораздо более прохладным, относительно окружающей его среды. Из-за более прохладного микроклимата в расщелинах пещеры массово селятся летучие мыши (рис. 3). В особо жаркие месяцы это место довольно популярно. Ничего похожего в южной зоне умеренного климата больше нигде нет, но есть в сухих субтропиках в Крыму.

Рис. 3. Летучие мыши в расщелине «пещеры вечной мерзлоты». 2015 г. . Фото Г.Шефер. Электронный ресурс, сайт «Дороги Мира» (http://worldroads.ru/peshhera-vechnoy-merzlotyi-v-zheleznovodske)

КРЫМ. Несмотря на его нахождение в субтропическом поясе, и на этой территории отмечаются очаги развития ММП, приуроченные к карстовым пещерам. Одной из наиболее известных в этом плане с уникальными образованиями является «Ледяная пещера» в Крыму, или, как её называют местные жители, Бузлук-Коба – одна из наиболее интересных на полуострове. Она располагается на высоте примерно 1000 метров над уровнем моря вблизи Алушты, в средней части мистического по местным легендам плато Караби-Яйла. На нем находится порядка 3,5 тысяч карстовых воронок, так что по подземным пустотам этот горный массив мало в чём уступает Чатыр-Дагу, а у спелеологов пользуется особой популярностью, тем более, что на Караби-яйле располагаются наиболее необычные пещеры полуострова. Самая удивительная из них – Ледяная пещера, расположенная примерно в 2,5 км от верхнего плато Караби. Это хоть и не самая большая, но, пожалуй, самая красивая пещера этой горной части Крыма, завораживающая своим неординарным видом [7]. О существовании Ледяной пещеры местные жители знали ещё за многие тысячелетия до того, как она была официально открыта спелеологами, а ещё более любопытно, что в XIX веке о ней было известно даже за пределами Крымского полуострова. Так, на атласе Мейерса тех времён встречается отметка с подписью Ledanaja Jama, т.е. «Ледяной колодец», и это название до сих пор существует наравне с иными определениями этой пещеры. Впрочем, известность Ледяной пещеры неслучайна. С конца XVIII века и до самой революции горное плато находилось в аренде у австрийцев, которые занимались здесь разведением овец. Мясом снабжался весь юг Украины, шерсть вывозилась в Австрию, а вот для хранения разделанных туш как раз и использовался природный «холодильник» – Ледяная пещера. Это одна из многочисленных ледовых пещер естественного происхождения на территории СНГ. Только на территории Крымского полуострова подобных подземных пустот насчитывается около 40. Как правило, они обладают мешкообразной формой. Циркуляция воздуха в таких пещерах минимальна, поэтому в них обычно наблюдаются низкие температуры, а накопившийся за зиму снег тает очень медленно. Крымская Ледяная пещера относится к вертикальному типу, а её глубина составляет 81 м, тогда как протяжённость – 165 м. Спелеологи называют её просто Бузлук, что в переводе с тюркского означает «ледник», а посетители Ледяной пещеры видят скрывающиеся в её недрах живописные нетающие ледовые образования (рис. 4 – 6).

Рис. 4. Подземные льды в пещере «Ледовая», Горный Крым. Фото с электронного ресурса (http://trof-av.livejournal.com/84409.html)

Ледяная пещера находится вблизи горы Иртыш, а один из зияющих огромных провалов диаметром в 20 метров является входом в уникальное ледовое пространство, от которого веет холодом даже в самое жаркое время. При таянии попавшего за зиму в воронку пещеры снега над местностью витает голубая дымка, а нередко даже сильный туман, что также усложняет спуск на дно Ледяной пещеры. Там толстые светлые слои льда чередуются с тонкими тёмными из-за смешивания с частицами глины слоями из спрессованного снега, а частично попадающие в это подземное царство лучи света мерцают яркими красками на ледяных наростах.

Рис. 5. Развалы многолетнего льда в пещере «Ледовая», Горный Крым. Фото с электронного ресурса (http://trof-av.livejournal.com/84409.html)

Протянувшийся на 70 м обширный грот примерно на глубине 40 м от входа поражает наростами прозрачного, переливающегося лёгким голубым оттенком льда. Солнечный свет на дно Ледяной пещеры поступает лишь в дообеденные часы, и в это время подземное царство обретает свои потрясающие краски. Со всех сторон грота нависают ледяные гроздья сталактитов из льда, достигающие в некоторых местах до 3 метров длины, а со дна пещеры им навстречу растут неровными краями не менее впечатляющие ледяные сталагмиты. Срастаясь в годы с обильными паводками в Крыму, они в некоторых местах образуют причудливые ледяные столбы. В середине 50-х гг. XX века в Ледяной пещере на Караби-яйле было зафиксировано образование шестиметрового ледяного столба прямо в центре этого ледового царства. Но в последние годы ледяной столб в центре пещеры не вырастает более чем на 3 метра.

Рис. 6. Разрез многолетнего льды в пещере «Ледовая», Горный Крым. Фото с электронного ресурса (http://trof-av.livejournal.com/84409.html)

Из трещин в скалах выступают огромные ледяные наросты, а на стенах пещеры виднеются ажурные ледяные орнаменты, напоминающие цветы, которые пересекаются с зубцами ледяных сталактитов и особенно впечатляюще смотрятся на фоне леса таких же ледовых сталагмитов [7]. Дно пещеры из-за ледовых наростов обладает значительным уклоном. Помимо натёчного пещерного льда, в Ледяной пещере есть и лёд, образовавшийся из накопившегося снега, падающего на дно с поверхности земли (рис. 5). В особо снежные зимы снега наносится так много, что он застилает всё отверстие спуска в пещеру, из-за чего ежегодно меняется площадь ледяного покрытия. В отдельные годы она достигает 1000 кв.м, а объём – 5 тысяч куб.м. В нижней части пещеры в конце галереи сформировался колодец глубиной около 20 м и диаметром в полметра, из которого по дну постоянно протекает небольшой ручеёк талых вод. Один из первых исследователей Ледяной пещеры назвал её «величайшей ямой», в которой никогда не тает лёд. И действительно, даже в наиболее жаркие месяцы температура воздуха в ней не превышает +1 – +2°С, а обычно колеблется около нуля.

Следует отметить, что в Крыму есть еще одна пещера с названием «Ледяная», она же Трёхглазка, находящаяся на плато Ай-Петри и названная так за три пещерных окна, расположенных как глаза. Трехглазка так же имеет карстовое происхождение, возраст ее около 3,5 млн лет, а особенностью пещеры является нахождение там остатков подземных льдов, по некоторым сведениям, реликтов древнего ледника, сохраняющегося круглогодично в т.ч. и за счет насыпающегося через окна-глаза снега (рис. 7). Еще в XIX веке отсюда добывали лед и поставляли его в Воронцовский дворец для графа Воронцова, поэтому пещеру также называют «Воронцовская». Глубина пещеры 30 метров. Температура в Трехглазке никогда не превышает +10°С, а периодически бывает около +1°С.

Рис. 7. Ледяной сталагмит в крымской пещере Трехглазая. Фото с электронного ресурса (https://www.7ways.com.ua/docs/about/emine-bair-koba-trehglazka-cave-krym.html)

В отличие от других пещер Крыма, в Трехглазке формируются не только классические карбонатные, но и ледяные сталактиты и сталагмиты, образующиеся в результате замерзания проникающей через скальные породы вода [6], а также натеки и залежи самой разнообразной формы (рис. 8 – 9).

Рис. 8. Ледяные натеки в крымской пещере Трехглазая. Фото с электронного ресурса (https://www.7ways.com.ua/docs/about/emine-bair-koba-trehglazka-cave-krym.html)

Главная достопримечательность этой пещеры – постоянный ледяной конус, достигающий в высоту 7 м. Образовавшаяся при его таянии вода разливается по полу и замерзает, постепенно превращаясь в прослои ископаемого льда мощностью в несколько метров. На его поверхности можно увидеть блестящие монетки, которые оставили многочисленные туристы, посещающие эту пещеру Крыма.

Рис. 9. Залежи ископаемого льда в крымской пещере «Трехглазая». Фото с электронного ресурса (https://www.7ways.com.ua/docs/about/emine-bair-koba-trehglazka-cave-krym.html)

По расчетам ученых-спелеологов, Трёхглазка существует около 3,5 миллионов лет, и доподлинно известно, что охотники каменного века уже в те времена использовали её в качестве природного рефрижератора. Туши крупных животных, возможно, даже мамонтов, с помощью верёвок опускали в пещеру, чтобы по мере необходимости доставать оттуда мясо. Существует мнение, что в какой-то период времени пещера была обитаема, хотя артефактами это не подтверждено. Также рассказывают, что в XV – XVII веках добытый здесь лёд доставляли в ханский дворец Бахчисарая, а когда царица Екатерина II посетила недавно присоединенные к империи земли Тавриды, ей готовили прохладительные напитки, применяя лед, добытый в этом гроте. И уж совершенно точно известно, что местный владыка – граф Воронцов устроил тут небольшое предприятие по добыче льда. Учеными обнаружены в нижней части толщи льда зубило и остатки факела, применявшиеся воронцовскими рабочими. Прислужник графа использовал лед этой пещеры для охлаждения продуктов, напитков и вин, лед пилили, складывали в огромные бадьи, и доставляли вниз по крутым и извилистым горным дорогам Крыма в поместье графа и других богатых людей. Длина оборудованной части Трехглазки небольшая – всего 70 м. Вырубленные в скале ступени спускаются в огромный по высоте зал, где над обрывом ощущается вся глубина подземного пространства, а с потолка свисают сталактиты, до которых в свое время не смогли дотянуться вандалы. Натечные образования в Трехглазке иногда напоминают коралловые рифы, неизвестно как выросшие под землей [9].

После определённого периода консервации в 1989 году пещеру открыли для посетителей. Её площадь 620 кв.м, объём 3200 куб.м. Для удобного спуска построена специальная лестница, правда, бывать в ней разрешено только в летнее время. Зато здесь можно увидеть не только сталактиты и сталагмиты, но и ледяные образования. А естественное освещение подкрашивает лёд в голубые тона, создавая при этом потрясающую по красоте картину.

Заключение

Установлено, что наряду с закономерным изменением природных условий в соответствии с законами широтной зональности, высотной поясности и меридиональной секторности, возможно их сочетание, позволяющее сформироваться очагам многолетнего промерзания горных пород в, казалось бы, совершенно для этого явления неподходящих районах (Кавказ, Крым, Африка), приуроченных к двум гипсометрическим уровням – нижнему и верхнему. К нижнему относятся пещеры Северного Кавказа и Южного Крыма, а к верхнему уровню – высочайшие вершины экваториальной Африки.

Гора Развалка известна на Кавказских Минеральных Водах своим феноменом «летней мерзлоты». Благодаря уникальной системе расщелин в теле горы происходит естественная циркуляция воздуха - зимой холодный воздух, согласно законам физики, перемещается в тело горы, одновременно выдавливая оттуда сравнительно более теплый. В результате, в месте выхода разломов горы на поверхность он так и остается гораздо более прохладным относительно окружающей его среды и это явление получило название – «летняя мерзлота».

Пещера Трехглазка имеет возраст ее около 3,5 млн лет, а её особенностью является сохранение там остатков подземных льдов, по некоторым сведениям, реликтов древнего ледника, сохраняющегося круглогодично и за счет насыпающегося через окна-глаза снега. В пещере формируются не только классические карбонатные, но и ледяные сталактиты и сталагмиты, образующиеся в результате замерзания проникающей через скальные породы вода, а также натеки самой разнообразной формы.

О специфике природных условий очагов многолетнего промерзания горных пород, приуроченных к верхнему уровню – высочайшим вершинам экваториальной Африки, мы расскажем в следующей публикации.

Таким образом, при освоении территорий с, казалось бы, совершенно неблагоприятными для формирования очагов многолетнего промерзания горных пород условиями, не следует заранее исключить подобную возможность. Необходимо в обязательном порядке провести полный комплекс изыскательских работ, включающий детальное изучение климатических, геолого-геоморфологических и подобных характеристик. Изыскателям, проектировщикам и строителям стоит обратить на это обстоятельства особое внимание, ведь геологическая среда хранит еще много загадок.

Список литературы

1. Берг Л. С. Докучаев как географ // Почвоведение. 1939. № 2. С. 14-19.
2. Гвоздецкий Н. А. В. Л. Комаров. — М.: Географгиз, 1953. — 48 с.
3. Григорьев А. А., Будыко М. И. О периодическом законе географической зональности // Докл. АН СССР. 1956. Т. 110, № 1. С. 129—132.
4. Григорьев А. А. Опыт аналитической характеристики состава и строения физико-географической оболочки земного шара - М.: 1997 - 687с.
5. Калесник С. В. Общие географические закономерности Земли. - М.: 1970- 485с.
6. Крымское чудо — ледяная пещера Трёхглазка. Электронный ресурс. Источник: https://of-crimea.ru. URL: https://of-crimea.ru/dostoprimechatelnosti/peshhery/peshhera-tryoxlazka.html. Дата обращения:декабрь 2016 г.
7. Ледяная пещера: подземные чертоги Снежной Королевы в Крыму.Электронный ресурс. Источник: Авторская статья «Skywriter13». URL: http://krymkrymkrym.ru/karabi-yayla-karstovoye-more-i-more-karsta. Дата доступа: январь 2015.
8. Мурзаев Э. М. Лев Семёнович Берг (1876—1950). // Серия: Научно-биографическая литература. — М.: Наука, 1983. — 176 с.
9. Пещера «Трехглазка» (Эмине-Баир-Коба), Крым. Электронный ресурс. Источник: https://www.7ways.com.ua. URL:https://www.7ways.com.ua/docs/about/emine-bair-koba-trehglazka-cave-krym.html. Дата обращения:июнь 2016 г.
10. Рябчиков А. М. Структура и динамика геосферы, её естественное развитие и изменение человеком. -М.: 2001.- 564с.
11. Шефер Г.А. Гора Развалка. Электронный ресурс. Источник: http://worldroads.ru.  URL:http://worldroads.ru/index.php?s=%D0%A0%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%BA%D0%B0.  Дата обращения: июль 2017 г.