Пещеры входят в число самых загадочных ландшафтов на Земле, скрывая сложные миры, которые сформировались далеко от досягаемости солнечного света в обширных геологических временных масштабах. В этих подземных камерах замечательные физические особенности, известные как спелеотемы, создают потрясающие виды камня. В то время как висящий сталактит, капающий с потолка, является самым знаковым изображением пещеры, разнообразие этих месторождений минералов необычайно. Понимание того, что представляют собой эти образования, как они развиваются через сложные геохимические процессы, и глобальные усилия по их защите дают более глубокое понимание этих природных чудес. В этой статье исследуются основные типы спелеотемов, конкретные условия, которые их формируют, и среды, где они ставят свои самые впечатляющие дисплеи.

Что такое спелеотемы? Геохимия пещерных отложений

Слово speleothem происходит от греческих слов spelaion (пещера) и them (депозит).В научных терминах спелеотемы являются вторичными минеральными отложениями, которые образуются в пещерах в результате химического осаждения минералов из воды.В то время как спелеотемы могут состоять из множества минералов, включая гипс, опал и гетит, подавляющее большинство состоит из карбоната кальция в форме кальцита или, реже, арагонита.

Происхождение этих карбонатных структур кальция лежит в карстовых ландшафтах над пещерой. Дождевая вода, естественно кислая от поглощения атмосферного углекислого газа (CO2), просачивается через почву, где она улавливает еще больше CO2 из распадающегося органического вещества. Этот процесс создает слабый раствор карбоновой кислоты, которая затем проходит через трещины в растворимой породе - обычно известняке или доломите. Эта кислотная вода растворяет карбонат кальция в породе, становясь насыщенной ионами кальция и бикарбоната. Когда эта богатая минералами грунтовая вода входит в заполненный воздухом пещерный проход, происходит тонкая, но мощная химическая реакция. Вода начинает дегазироваться, выпуская избыток углекислого газа в атмосферу пещеры. Эта потеря CO2 снижает способность воды удерживать растворенный карбонат кальция, заставляя его высаживаться из раствора в виде твердых кристаллов кальцита.

Конкретная форма, которую принимает спелеотем, полностью продиктована траекторией воды. Капающая вода создает сталактиты и сталагмиты, проточной водой создаются проточные камни, а вода, просачивающаяся через микроскопические поры, может создавать тонкие, не поддающиеся гравитации гелициты. Скорость роста зависит от таких переменных, как температура, скорость капель и концентрация минералов в воде. Эти геологические часы тикают медленно, при этом типичный сталактит растет всего на один кубический сантиметр каждые 100-200 лет.

Основные типы подземных формирований

Классификация спелеотемов основана прежде всего на их форме и механизме их образования.В то время как список известных типов обширен, горстка категорий доминирует в общественном воображении и физическом пространстве в пещерах.

Сталактиты: висячие кусочки камня

Сталактиты, пожалуй, наиболее узнаваемые из всех пещерных образований. Они свисают вниз с потолков пещер. Они образуются как минерально-нагруженная вода просачивается через крышу пещеры. Как капля воды свисает, она откладывается крошечным кольцом кальцита. За тысячи лет эти кольца накапливаются, образуя трубку. Самой нежной формой сталактита является соломинка соды , которая представляет собой длинную, полую, полупрозрачную трубку, через которую вода продолжает капать. Если центральный канал содовой соломы блокируется, вода будет стекать вниз по внешней стороне трубки, откладывая кальцит в конусообразном слое, что приводит к классическому сталактиту морковной формы. Большие сталактиты могут быть нескольких метров в длину и весить несколько тонн.

Оригинальное название: The Floor Grows Up

Вырастая непосредственно под активными сталактитами, сталагмиты образуются из богатой минералами воды, которая брызгает на пол пещеры. По мере того, как капли воды воздействуют на пол, они откладывают свою оставшуюся минеральную нагрузку. Со временем эти отложения накапливаются вверх, создавая соответствующую структуру сталактиту выше. Сталагмиты, как правило, шире и более округлены, чем сталактиты выше. Конкретная форма зависит от конкретных условий пещеры. Высокая скорость капель и высокая насыщенность минералами могут производить высокие тонкие сталагмиты свечей , в то время как более низкая скорость капель может создавать более толстые, короткие пагоды или сталагмиты в стиле замка с ободами вокруг их вершин, образованными брызгами водяного брызга.

Колонны и столбы

Когда нисходящий сталактит и восходящий сталагмит встречаются и сливаются вместе, они образуют колонну или столб. Это очень медленный процесс, требующий устойчивости как от капельного потолка, так и от наращивания пола в течение длительного периода. Колонны могут быть массивными структурами, эффективно становясь несущими особенностями в пещерной системе. В некоторых случаях колонна не является прямой встречей двух наростов, но возникает, когда сталактит растет так долго, что он физически касается пола и продолжает утолщаться.

Флоустоун и Дрейпери

Не вся вода в пещере капает вертикально. Когда вода течет по наклонным стенам или по полу, она создает листоподобные отложения, известные как flowstone . Flowstone может принимать высоколепестковые формы, которые выглядят как замерзшие водопады или окаменевшие каскады. При нарезании и полировании, проточный камень часто обнаруживает красивые рамки перемежающихся кальцита и примесей, что делает его популярным материалом для декоративного камня (часто ошибочно идентифицируемого как «оникс»).

Конкретным типом проточного камня является драпировка или занавеска. Они образуются, когда вода течет по наклонному потолку. Поскольку она следует тонкой линии просачивания, она откладывается кальцит, который строит вниз в волнистом, нежном листе. Когда свет светит через тонкую драпировки, он может казаться полупрозрачным и отображать красивую полосу, очень похожую на бекон.

Редкие и экзотические спелеотемы

За сталактитами и сталагмитами лежат образования, которые не поддаются ожиданиям того, как гравитация формирует геологию. Эти необычные спелеотемы возникают в высокоспецифичных химических и физических условиях.

Геликтиты представляют собой скручивающиеся, спиралевидные или разветвляющиеся образования, которые, как представляется, растут вопреки гравитации, расширяясь горизонтально или даже изгибаясь вверх от центра массы. Они образуются водой под высоким капиллярным давлением, прокладывающим себе путь через крошечные поры в кальците. Вода выходит с такой медленной скоростью, что силы капиллярного действия перевешивают притяжение гравитации, позволяя кристаллу расти в, казалось бы, случайных, причудливых формах. Их замысловатый, нежный вид делает их высоко ценимыми образованиями среди энтузиастов.

Пещерные жемчужины представляют собой сферические, слоистые образования, которые образуются в неглубоких бассейнах воды, так же, как биологические жемчужины образуются в устрицах. Они состоят из концентрических слоев кальцита, осаждаемых вокруг небольшого ядра, такого как песчинка или фрагмент скалы. Постоянное нежное волнение от капающей воды держит жемчуг округлым и свободным от пола бассейна, что позволяет им со временем расти в совершенные сферы.

Boxwork — поразительное образование, состоящее из сети тонких, клинково-подобных плавников кальцита, которые проецируются из стен пещеры или потолка. В отличие от каплеобразных образований, коробка является формой speleogen, то есть она образуется из растворения скалы, а не отложения минералов. Вены кальцита в известняке более устойчивы к эрозии, чем окружающая порода. По мере того, как скала растворяется в течение миллионов лет, вены остаются стоящими в сотовой структуре. Пещеры Карлсбад в Нью-Мексико — одно из самых известных мест в мире, где можно увидеть массивные коробчатые образования.

Морозостроение состоит из нежных, игольчатых скоплений арагонита или кальцита, которые покрывают пещерные стены и потолки.Иглы образуются, когда влажность в пещере высокая и вода перемещается капиллярным действием на поверхность скалы, где она испаряется, вытягивая минералы.Морозостроение придает вид нетронутого, кристаллического мороза, покрывающего поверхность пещеры.

Спелеотемы как природные архивы климата Земли

Спелеотемы — это не просто пассивные украшения; они хранят бесценный отчет об истории окружающей среды Земли. Поскольку они растут слоями, подобно кольцам деревьев, каждый слой содержит информацию о климате в то время, когда он был отложен. Анализируя химический состав этих слоев, ученые могут реконструировать прошлые климаты с замечательной точностью.

Ключ к этому анализу лежит в изотопах кислорода и углерода, захваченных в кристаллах кальцита. Отношение тяжелых к легким изотопам кислорода — в частности δ18O — в спелеотеме отражает температуру и источник осадков, которые питали пещеру тысячи лет назад. Теплые периоды часто производят другую изотопную сигнатуру, чем более холодные периоды. Кроме того, толщина колец роста может указывать на периоды засухи или сильных осадков. Некоторые спелеотемы обеспечивают непрерывные климатические записи, простирающиеся более чем на 500 000 лет.

Это исследование жизненно важно для понимания природных циклов климата Земли до значительного влияния человеческой промышленности. Это помогает ученым моделировать будущие климатические сценарии и понимать взаимосвязь между уровнями CO2 в атмосфере и глобальными температурами. Сохранение этих природных архивов, следовательно, является вопросом значительной научной важности.

Где посмотреть потрясающие спелеотемные дисплеи

Некоторые из самых потрясающих в мире спелеотемных дисплеев защищены в национальных парках и показывают пещеры, открытые для публики. Эти места дают представление о необычайной красоте, которая лежит под поверхностью.

  • Национальный парк Карлсбадских пещер (Нью-Мексико, США): Знаменит «Большой комнатой», массивной подземной камерой, заполненной гигантскими сталактитами, сталагмитами и обилием коробочного и пещерного жемчуга. Это объект Всемирного наследия и главный пример карстового пейзажа. Исследуйте Карлсбадские пещеры на сайте NPS .
  • Пещера Мамонтов (Кентукки, США): Как самая длинная пещерная система в мире, Пещера Мамонтов является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО, содержащим огромное количество спелеотемов. Его экскурсии демонстрируют огромные гипсовые люстры, каскады из камня и нежные соломинки соды.
  • Пещеры свёртки Вайтомо (Новая Зеландия): Эта пещерная система также имеет впечатляющие известняковые образования, включая «Кафедральный», известный своей акустикой и массивными сталактитами.
  • Пещера Постойна (Словения): Одна из самых посещаемых выставочных пещер в Европе, Постойна славится своим захватывающим «Блестящим» проходом, заполненным большими белыми сталагмитами.В пещере есть поезд, который доставляет посетителей глубоко под землей, чтобы исследовать обширные галереи.
  • Пещера Сон Дун (Вьетнам): Самая большая пещера на планете по объёму, Сон Дун содержит некоторые из самых больших известных спелеотемов, включая «Великую стену Вьетнама» и массивные пещерные жемчужины размером с бейсбольные мячи. Его уникальный микроклимат поддерживает собственную экосистему.

Сохранение и хрупкость пещерных сред

Несмотря на их кажущийся твердым и постоянный вид, спелеотемы исключительно хрупки и чувствительны к воздействию человека. Тот же медленный рост, который делает их великолепными, также делает их уязвимыми. Одно прикосновение человеческой руки может оставить слой масла и грязи, который предотвращает дальнейший рост кристалла на сталактите в течение нескольких поколений. Минералы на коже действуют как яд для живой поверхности кальцита. Сталактит, который формировался 200 000 лет, может быть разбит в одно мгновение неосторожной схваткой.

Помимо прямого физического ущерба, человеческая деятельность может изменить всю пещерную среду. Искусственное освещение в выставочных пещерах способствует росту лампенфлоры — мхи, водоросли и папоротники, которые процветают при постоянном свете. Эти растения могут окрашивать спелеотемы и ускорять выветривание. Углекислый газ, образующийся при дыхании тысяч туристов, посещающих выставочную пещеру каждый год, может изменить атмосферу пещеры, замедляя осаждение кальцита и даже заставляя существующие образования медленно растворяться.

Усилия по сохранению сосредоточены на строгом управлении туризмом и деятельностью по вырубке. Принцип «Не берите ничего, кроме фотографий, не оставляйте ничего, кроме следов, не убивайте ничего, кроме времени» является центральным для ответственной пещеры. Многие пещеры установили автоматические двери, чтобы изолировать пещеру от внешнего воздуха, запечатанные тропы, чтобы предотвратить прикосновение, и установили светодиодные системы освещения, которые излучают меньше тепла и света для уменьшения лампенфлоры. Защита поверхностной среды над пещерой одинаково важна. Изменения в землепользовании, такие как обезлесение или извлечение воды, могут изменить скорость капель, которые питают образования, голодая их или полностью высыхая. Программа МСОП пещера и карст обеспечивает глобальную основу для защиты этих хрупких экосистем.

Непрерывная формация и научная ценность

Потрясающие физические особенности пещер, от знакомого сталактита до редкого геликтита, являются динамическими природными явлениями. Они продолжают расти, адаптироваться и записывать изменяющийся климат Земли. Наука формирования спелеотемов, глубоко укоренившаяся в карстовой геохимии, раскрывает мир, где вода и скала взаимодействуют на протяжении тысячелетий, чтобы создавать невероятные произведения естественной скульптуры. Обширный обзор типов и формации спелеотемов можно найти в Википедии.

Посещение выставочной пещеры предлагает редкую возможность стать свидетелем этой медленной формы искусства. Меры по сохранению гарантируют, что эти хрупкие хранилища геологической истории остаются нетронутыми для будущих научных исследований и общественного удовольствия. Понимая тонкий баланс, необходимый для их формирования, мы можем оценить не только их красоту, но и их роль как незаменимых записей прошлого Земли. В следующий раз, когда вы пройдете через украшенную пещеру, рассмотрите бесчисленные капли воды, прохождение целых ледниковых периодов и огромное терпение природы, необходимое для сбора захватывающих сцен, которые висят над и под ними.