Микроклимат пещеры "Мраморная" и формы антропогенного влияния

Спелеология - это новое научное направление, которое выделилось из карстологии и представляет комплекс науки, занимающийся изучением полостей в земной коре, доступных для человека и характеризующихся специфическим ландшафтом.

Одна из важнейших, но пока еще слаборазработанных ветвей спелеологии - это спелеоклиматология или учение о микроклимате карстовых полостей. Основы спелеоклиматологии были заложены работами Ю.Листова (1885), А.Крубера (1915), Г.Кирла (Kyrle, 1922), Г.Вольфа ( Wolf, 1929) и ряда других исследовател ей.

60-80 г.г. были годами накопления фактов,совершенствования методик,постановки научных проблем. И только в конце 80-х годов стали появляться научные работы в области спелеоклиматологии и сводки по микроклимату отдельных карстовых регионов.

Стационарные ,долговременные микроклиматические наблюдения в отдельных полостях на территории Крыма, практически не велись. По этому организация мониторинга физико-географической среды пещеры Мраморная является на сегодняшний день единственной в карстовом регионе Крымского полуострова.

Организация системных, долговременных наблюдений за физико-геграфической средой карстовой полости, как за сложной, многогранной динамической системой является необходимым условием при организации объектов гео-экологического и спелео-туризма .Мировой опыт организации подобных объектов туризма в таких всемирно известных пещерах как Мамонтова-Флинт-Ридж, Карлсбадская в США; Постойнска яма , Мацоха в Словении и т.д. показывает, что мониторинг пещерной среды должен включать много разнообразных параметров, но одним из самых важных является микроклимат пещеры. Микроклиматические условия, являются наиболее уязвимыми в динамическом подземном ландшафте, по этому требуют самого детального изучения.

Целью настоящей работы является подготовка характеристики микроклимата в пещере Мраморная, выявление и определение степени влияния на него антропогенных факторов, на основании режимных микроклиматических, микробиологических, гидро - химических, геолого - минералогических наблюдений.

Для достижения этой цели необходимо было решить ряд задач.

Во-первых : организация регулярного сбора и систематической обработки показаний приборов;

во-вторых : подбор специальных компьютерных программ для обработки данных и компьютерная обработка материала;

в- третьих : выявление наиболее значимых факторов антропогенного влияния на микроклимат пещеры;

в- четвертых : анализ полученных результатов.

Необходимо отметить тот факт , что сейчас необходимость оборудования и охраны пещеры Мраморная не вызывает никакого сомнения, а на начальном этапе работ по освоению пещеры Симферопольским клубом спелеологов высказывались мнения отдельных спелологических клубов о якобы невосполнимом ,устращающих размеров, ущербе нанесенном пещере Мраморная в результате подобных действий. На сегодняшний день , из мирового и отечественного опыта и практики ясно, что оборудование и охрана пещеры как уникальнейшего памятника природы для экскурсионного организованного, строго контролируемого посещения, является единственным способом уберечь ее от разграбления и неисправимого нарушения ее динамической системы. По этому ,полностью избежать антропогенного вмешательства невозможно в любом случае, не зависимо от того оборудована пещера или нет ( печально известен опыт никем не охраняемых пещер, которые варварски загрязнены и разрушены).

При подготовке работы использована разнообразная отечественная и зарубежная литература по данной проблеме, в том числе ранее опубликованные статьи В.Н. Дублянского ( 1969, 1982, 1985) , Л.М. Соцковой ( 1977, 1981. 1982 ,1989), Б.А. Вахрушева (1978) , Ю.И.Шутова (1969,1971, 1992) , научные отчеты карстовой комиссии при АН УССР ( 1994), отдела карста ИМР АН УССР (1996) по пещере Мраморная , Киевского карстолого-спелеологического центра (1994,1996).

1.Физико-географические условия формирования карстовых полостей Чатыр-Дага.

Главная гряда Крымских гор, к которой относится Чатырдагский массив, соответствует северной части мегантиклинория Горного Крыма. В разрезе Главной гряды четко прослеживаются два структурных этажа. Нижний этаж слагают сложно дислоцированные породы таврической серии - аргилл с прослоями алевролитов и песчаников верхнего триаса и нижней юры и залегающая на них с несогласием вулканогенная толща, аргиллиты и песчаники средней юры. Водоупорный цоколь Главной гряды на разных массивах находится на различных уровнях, что определяет условия движения подземных вод и развитие карста в карбонатных породах верхнего структурного этажа. На Чатырдаге водоупорный цоколь также дислоцируется в различных участках плато на различных уровнях.

Верхний структурный этаж Главной гряды, в том числе и Чатырдага сложен верхнеюрскими и нижнемеловыми (валанжинскими) отложениями. Их отличительной особенностью является литологическое разнообразие, фациальная изменчивость, контрастность мощностей.

Положение Горного Крыма на северной окраине субтропического пояса обуславливает мягкость климата ( Ресурсы....1996). Основными факторами, определяющими его особенности, и , вместе с тем, условия формирования микроклимата карстовых полостей, являются радиационный баланс, атмосферная циркуляция и характер подстилающей поверхности.

Продолжительность солнечного сияния в Горном Крыму меняется от 2180 до 2470 часов. Это обусловливает значительные различия в климатических особенностях северного и южного макросклонов. Прямая солнечная радиация существенно зависит от крутизны склонов и их экспозиции . Изменения колическтва солнечной радиации на северном макросклоне в зависимости от его крутизны отражены в Табл.1.

Таблица 1.

Изменения прямой солнечной радиации, кал/год в зависимости от крутизны склона.

Различия в продолжительности солнечного сияния и величине прямой солнечной радиации оказывают непосредственное воздействие на формирование температур приземного слоя воздуха и его увлажнение в зонах заложения карстовой полости.

Разнообразие теплового режима Чатырдага определяется в закономерном изменении средних годовых температур на разных высотах, определяющем термические условия карстовых полостей (Табл.2)

Таблица 2

Изменения средних годовых температур на северном макросклоне.

Изотерма +6,0 оконтуривает площадь Чатырдагского массива. Амплитуда колебаний между среднегодовыми и средними январскими (июльскими) температурами здесь не превышает 9 - 10 градусов С.

Интересны изменения среднесуточных температур воздуха, обусловливающие колебания абсолютной влажности воздуха на поверхности и в карстовых полостях. Суточная амплитуда температур воздуха зимой значительно меньше, чем в летний период. При пасмурной, с туманами погоде средняя суточная амплитуда в ноябре - январе менее 2 град.С, к марту постепенно возрастает до 3 гр.С. Максимальные ее значения (3,5 - 4,0 гр.С) наблюдается в апреле-сентябре. В отдельные дни значения амплитуд температур воздуха могут достигать 15-20 гр.С, причем в летний период это наблюдается чаще, чем зимой.

Наиболее низкие значения среднего минимума отмечаются на плато с ноября по март. Они наблюдаются при установлении северо-восточного и северного типов циркуляции ( при вторжении континентального воздуха ). Абсолютный минимум был отмечен на Ай-Петри (- 27,4 гр.С, 1967 г.).

Сезоны года на яйле выражены отчетливо. Температура воздуха ниже 0 гр.С устанавливается в начале декабря. Продолжительность периода с температурой -5 гр.С достигает 110 дней. Зима на яйле сравнительно мягкая, со среднемесячной температурой около - 4 гр.С, с интенсивным гололедом, изморозью, сильными ветрами и метелями. Лето наступает при переходе среднемесячной температуры через 15 гр.С. В июле- августе средняя температура воздуха повышается до 16,4 гр. С, а абсолютные максимумы достигают 28-30 гр.С. Период со среднесуточными температурами выше 10 гр.С длится около 120-140 дней.

Средняя температура почвы следует годовому ходу температуры воздуха. В январе почва охлаждается до -4 грС,а в отдельные дни декабря и февраля даже до -15...-25гр.С. В июне- июле она прогревается до 19 - 21 гр.С. В среднем же в горах около 50 дней с нулевой температурой почвы.

Перенос различных воздушных масс, их трансформация и фронтогенез являются основными циркуляционными процессами формирования климата Главной гряды , в т.ч. Чатырдагского массива. Атмосферная циркуляция характеризуется преобладанием западного переноса, обусловливающего приток воздуха из Атлантики. Периодически вторгаются холодные воздушные массы с северных широт, теплые и влажные со Средиземного моря, сухие - с территории Азии.

Главная гряда, способствуя усилению динамической турбулентности воздуха и создавая условия для подъема воздушных масс, формирует собственный режим увлажнения. Возрастание до 6,1 - 9.8 мм.рт.ст. летом способствует конденсации влаги в трещинно-карстовых коллекторах. Суточный ход абсолютной влажности на яйле выражен слабо.

Годовая амплитуда относительной влажности составляет в среднем 12 - 15 %. Максимальная относительная влажность за счет большой повторяемости циклонических явлений отмечается зимой (78 - 85% при максимуме в январе). Минимальные значения характерны для августа ( 30 - 66%), суточный ход относительной влажности на плато наиболее четко проявляется летом (колебания около 10 - 20 %).

Режим осадков обуславливается преимущественным воздействием юго-западного и северо-восточного типов синоптических ситуаций. Плювиометрический градиент в среднем достигает 60 мм на каждые 100м. Среднемесячное количество осадков в теплый сезон составляет приблизительно 60 мм. Снежный покров устанавливается на яйле в среднем первой-второй декаде ноября и держится от 30 до 150 дней.

В целом климатические условия Главной гряды и Чатырдагского массива в теплый период года неблагоприятны для питания подземных вод и развития карстовых процессов,. Большая часть выпадающих осадков расходуется на испарение. Запасы подземных вод пополняются только за счет конденсации и ливневых осадков с интенсивностью более 20 мм/сут. В холодный период, напротив, происходит питание подземных вод за счет продолжительных дождей, снеготаяния, а также активизация карстовых процессов.

Физико-географическое положение пещеры Мраморная.

Пещера расположена в прибровочной части северо-западного замыкания плато Чатыр-Даг. Обнаружена Симферопольскими спелеологами в 1987 году. Близкое расстояние от г. Симферополя ( 32 км ) и трассы Симферополь-Ялта ( 16 км ) делает ее легко доступной. Первоначальный вход в нее ввиде пятиметрового естественного колодца, расположен на высоте 918 метров над у.м. и находится на плоском водоразделе между двумя балочными системами ( Чумнох на западе и Безымянная на востоке ) . Верховья этих балок глубоко врезаны в северные склоны и плато Чатыр-Дага . Однако, в связи с тем, что эти балочные системы являются более молодыми формами рельефа, чем сама карстовая полость, какая-либо связь между ними отсутствует.

Морфогенезис пещеры Мраморная.

Участок плато, на котором расположена пещера, сложен грубослоистыми и крупноплитовыми нижнетитонскими известняками, которые под углом 20 - 30 град. падают на запад ( непосредственно над пещерой : Ап 270 - 280 град. угол падения 20 - 22 град.). На западном склоне массива эти известняки со структурным несогласием ложаться на двухсотметровую толщу оксфордских конгломератов и песчаников, смятых в широкие складки. Конгломераты и песчаники также со структурным несогласием налегают на отложения таврической серии (1) .

Участок , в котором заложена пещера, ограничен тектоническими нарушениями, которые имея широтное и меридиональное простирание , выкраивают крупный тектонический блок с урочищем Чумнох и прилегающими водоразделами. Уточнения сбросов и зон тектонической трещиноватости будет производится в процессе дальнейшего научного изучения.

В настоящее время в процессе поверхностных маршрутных исследования и наблюдений в полости установлено наличие двух нарушения, определяющих морфологию и направление подземных ходов на участках пересечения ими полости. Первое нарушение фиксируется в южной части участка стенкой срыва с Апр 310 град. Здесь на контакте слоистых и массивных известняков прямо над полостью сформировалась крупная карстовая воронка. В полости вдоль плоскости сброса развит крутонаклонный ход вверх, выполненный рыхлым обломочным материалом, часть которого вывалилась в пещеру.

Второе нарушение, выраженное зоной трещиноватости с Апр 285 град. находится в северной части участка. В пещере нарушению этой зоны соответствует колодец, соединяющий два этажа пещеры (верхний и нижнюю галерею ).

Сама полость вытянута вдоль меридианального разлома , проходящего вдоль всего западного борта Чатыр-дага. Этот сброс севернее уходит под нижнемеловые отложения и достигает Аянского источника, вытекающего из пещеры Аянская.

Гидрогеологическая роль этого разлома весьма велика. Он переориентирует практически весь подземный сток Нижнего плато Чатыр-Дага с западного на северное и выводит его в Аянский источник.

История открытия и оборудования пещеры Мраморная.

Пещера обнаружена в 1987 году Симферопольскими спелеологами. В течении этого и последующего года была взята под охрану Симферопольского клуба спелеологов (председатель А.Ф.Козлов ) . Вход в полость был закрыт решетчатым люком , над входом в пещеру велость постоянное дежурство членов клуба. Эти меры были необходимы , так как великолепному натечному убранству пещеры ( как позднее выяснилось уникальному ) угрожало варварское разграбление.

В течение полутора лет ( конец 1987 - начало 1989 ) пещера оборудовалась ( главным образом первая привходовая галерея Сказок ) и была введена в эксплуатацию в апреле 1989 года. Первая очередь экскурсионного маршрута составила 180 метров. Организация. которая занялась охраной и оборудованием пещеры был Симферопольский клуб спелеологов, в последствии реорганизованный в Центр спелеотуризма «ОНИКС-ТУР». Первоначально Центр имел подчинение Объединению молодежных клубов по интересам , а затем Госкомитету по делам молодежи, На сегодняшний день Центр является самостоятельной организацией с коллективной формой собственности.

Первым этапом оборудования пещеры для экскурсионного посещения было устройство пешеходных дорожек и оснащение их удобными перилами в Галерее сказок.

Следующий этап включал в себя прокладку удобного горизонтального тоннеля в Тигровый Ход и оборудование его галерей экскурсионными дорожками приблизительной протяженностью 200 метров.

Повышение количества экскурсантов и все возрастающем интересе к карстовым пещерам, как уникальным объектам природы выявило необходимость оборудования экскурсионными маршрутами Зала Перестройки, что представляло для работников Центра наибольшую сложность. ( Огромный глыбовый завал на протяжении всего зала).

В перспективе планируется оборудование экзотических экскурсионных маршрутов для ограниченного количества экскурсантов ( в основном спелеологов) в Нижних галереях пещеры.

Исследования пещеры не прекращалось со дня ее открытия симферопольскими спелологами. В первые же месяцы открытия (ноябрь-декабрь 1987 года) была сделана полуинструментальная съемка пещеры. Сейчас планы и разрезы полости постоянно уточняются, проводится теодолитная съмка основных ходов пещеры.

На сегодняшний день пещера оборудована по мировым стандартам, за год ее посещает более 100 тыс.человек. Пещерный комплекс Мраморная является единственным в странах СНГ, вошедшим в качестве действительного члена в Международную ассоциацию посещаемых пещер ( ISCA ).

3.Методика микроклиматических наблюдений.

Методика микроклиматических исследований в карстовых полостях разработана слабо. Этот раздел вообще отсутствует в общих методических руководствах по изучению карста ( Методы..., 1963г.; Чикишев, 1973 г.). В 1950 - 1980 годах в СССР и за рубежом появились многочисленные публикации, в которых, наряду с изложением регионального фактического материала , затрагиваются и методические вопросы ( Голод, 1976 г ; 1978 г; Дублянский, 1977 г. и др.; Соцкова , 1981 г. и др). В 1981 году во Всесоюзном институте карстоведения и спелеологии состоялась заседание рабочей группы , которая подготовила методику микроклиматических наблюдений в естественных и искусственных полостях трещиноватых, закарстованных породах и во льдах ( Методика ...1982 г.). Эти материалы вошли также в первую в СССР методическое руководство по изучению карстовых полостей ( Проблемы... ,1983 г.). Ниже кратко изложены основные положения методики микроклиматических исследований.

3.1 Используемая терминология.

Термины « пещерная погода» и «микроклимат пещер» ввел в научную литературу Г.Кирл ( Kyrle, 1922 ) . До 1960 года термин «микроклимат пещер» использовался отечественными, и , в особенности зарубежными исследователями без всяких оговорок и ограничений. В 60 - 80 -х годах , в связи с развитием общей климатологии появились тенденции, осложняющие ситуацию.

Так Б.А. Алисов и другие ( 1952 г., ) понимает микроклимат как местные особенности климата, обусловленные строением подстилающей поверхности. И.А. Гольцберг (1987 г) считает микроклиматом климат небольшой территории, возникающий под влиянием различий в рельефе, растительности , состояния почвы и других факторов. Она выделяет микроклимат поля, болота, опушки леса, города. М.И. Щербань (1972 г) считает, что микроклимат как климатические особенности небольших участков земной коры непосредственно связан с климатом. Таким образом, понятие «местный климат» не является общепринятым. Медики и архитекторы говорят о климате замкнутых пространств, созданных человеком : микроклимате квартиры, подземного сооружения и пр. (Шаповалов, Мицкевич, 1975 ) . С этих позиций применение термина « микроклимат карстовых полостей» вполне оправдано, так как их климат это климат небольших территорий, представляющих собой замкнутое пространство.

В карстологии наблюдается примерно такая же картина. Часть исследователей рассматривает микроклимат пещер как распределение и изменение давления, температуры, и влажности воздуха под землей под влиянием изменения этих факторов на поверхности, в открытой атмосфере ( Trimmel, 1968 ;Wwigley, Brown, 1978 и др.). Р.Гейгер (1960 ) определил микроклимат пещер как климат их приземного слоя. Наиболее детально разработал эту проблему Кл.Андрио ( Andrieux, 1971 ). Он считает, что на поверхности следует выделить макроклимат ( больших территорий), мезоклимат ( климат местности ) и микроклимат ( климат подстилающего слоя ) . Их совместное влияние передается через микроклимат на подземный климат, который в свою очередь делится на топоклимат ( климат отдельных галерей, завалов, колодцев ) и климат лимитируемого слоя ( особенности зоны контакта пещерного воздуха с полом, стенками и потолком пещеры ) . Очевидно , введение этих понятий и терминов имеет смысл только при очень детальном стационарном изучении климата карстовых полостей.

Автор понимает под микроклиматом карстовой полости режим метеорологических элементов ( атмосферное давление, движение воздуха, температура, влажность, газовый состав воздуха ) внутри пещеры или шахты определенного морфогенетического типа.

3.2 Цели и задачи исследований

Целью микроклиматических исследований в карстовой полости пещеры Мраморная является определение суточных , недельных, месячных, годовых особенностей воздушной циркуляции ( напрвление , скорость движения воздуха) , термовлажностных характеристик воздуха ( атмосферное давление, температура, абсолютная и относительная влажность) и его газового состава.

Основными задачами микроклиматических наблюдений являются

характеристика микроклимата карстовой полости;

определение влияния микроклиматических условий карстовых полостей на формирование подземных вод, карстовых микроформ и различных пещерных отложений,;

определение влияния антропогенного вмешательства на микроклимат пещеры.

3.3 Проведение наблюдений.

Организация микроклиматических наблюдений предполагает регулярный контроль за состоянием измерительных средств, а также их поверку ( по наиболее точным ) перед началом серии измерений для выявления неисправных приборов и определения систематических погрешностей с последующим введением в результаты измерений соответствующих поправок (Стернзат, 1978).

Отсчет показаний производится с точностью 0,2 - 0,5 цены наименьшего деления прибора после выдержки , соответствующей инерционности измерительного комплекта. Для температурных измерений с помощью ртутных термометров необходимая выдержка составляет : в воде - 10 - 15 секунд, в воздухе 3 - 5 минут, в песке, рыхлой породе, до 1 часа; при отсчете показаний аспирационного психрометра - 4 минуты, крыльчатого анемометра - 100 секунд. При проведении первых замеров надо предусмотреть необходимое время для выравнивания температуры приборов с температурой воздуха в пещере ( 15 - 30 минут ) .

В узких ( низких ) ходах и залах малого объема тепловыделения и дыхание наблюдателя могут существенно исказить результаты измерений , что необходимо учитывать при организации наблюдений. В тоя части пещеры, где производится наблюдения , необходимо ограничить пребывание посторонних людей и исключить пользование светильниками , нагревателями открытого огня ( свечи, карбидные лампы ) .

В течении всего периода наблюдений на поверхности ( вблизи пещеры, вне зоны влияния воздушного потока из входного отверстия ) производят срочные замеры основных метеоэлементов ( температура , давление, влажность воздуха, направление и скорость ветра ) с указанием погодных условий ( облачность, осадки и их интенсивность ) и расположение пункта наблюдений в рельефе. Сроки наблюдений желательно синхронизировать со стандартными для метеостанций ( 0,3,6,9,12,15,18,21 час по московскому декретному времени) , что позволяет в совокупности с данными метеостанции охарактеризовать условия на поверхности. В связи с возможными проявлениями в пещере запаздывания погодных колебаний на поверхности желательно располагать сведениями о метеоусловиях на поверхности за 2 - 5 суток до начала наблюдений ( по данным метеостанции или собственным измерениям ).

На начальном этапе изучения микроклимата полости выявляют схему движения воздуха в пещере и производят измерения в ее характерных участках ( входное отверстие, основные залы и галереи , зона стабилизации температуры и влажности и т.д.) с нанесением точек наблюдения на план полости и указанием места и времени измерения, фабричного ( полевого номера прибора, фамилия наблюдателя )

Скорость и направление движения воздуха фиксируют во всех местах с ощутимой тягой ( естественных сужениях ходов ), имея виду возможное встречное движение потоков у пола и свода галереи , либо у стен на оси вертикального хода.

При организации регулярных (длительных или периодических ) измерений ( желательно в течение 24 - 28 час. периодичностью 1 - 2 месяца на протяжении 1 - 2 лет ) на основе анализа морфологии полости, схема вентиляции и результатов первичных наблюдений намечают постоянные точки замеров, фиксируемые в пещере с помощью устойчивых марок и подчиняющейся определенной системе : более разреженная сеть с шагом 5 - 10 - 20 метров и более на участках с неизменной морфологией и в зоне минимальных сезонных колебаний; более густая сеть с шагом 0,5 - 2 метра в местах резкого изменения метеоэлементов ( в привходовой зоне, на пересечении ходов и т.д.) выбор точек определяется задачами исследований.

Для регистрации асредненных по сечению значений температуры и влажности воздуха ( с помощью аспирационного психрометра ) замеры производят по осевой линии хода, в залах на расстоянии не менее 0,35 - 0,40 В ( В - наименьшей из размеров по высоте или ширине ) от пола или стены соответственно.

3.4 Приборы для наблюдений

Для определения метеоэлементов естественной карстовой полости используются стандартные гидрометеорологические приборы: барометр -анероид ( погрешность +_ 100 Па), срочные максимальные и минимальные термометры ( погрешность +_ 0,1 - 0,2 град.), аспирационный психрометр ( поггрешность по влажности +_ 1-4%), крыльчатый или чашечный анемометры , в данном конкретном случае крыльчатый, (погрешность +_ 0,1 - 0,2 м/с). Газовый состав воздуха на месте исследуется с помощью шахтного интерферометра ( СО2 , СН 4) или экспересс-методом ( СО2) , однако набор определяемых при этом компонентов ограничен, а точность невелика ( погрешность +_0,5%). В связи с этим основными при изучении газового состава воздуха являются лабораторные методы определения состава отобранных проб ( газовая хроматография). Для определния генезиса углекислоты используется масс-спектрометрический метод анализа изотопного стостава углерода.

Для непрерывной регистрации изменений температуры, влажности и даления воздуха используют суточные, (недельные) термографы, барографы и гигрографы ( погрешности +- 1 гр.С, +_1% влажности, +_ 100Па соответственно).

В связи с недостаточной локальностью стандартных приборов, их невысокой точностью и значительной инерционностью при изучении микроклимата пещер следует применять приборы ( термоэлементы и терморезисторы для измерения температуры , термоанемометры, макроманометры и т.д.), обладающие более высокой точностью ( погрешность измерения температуры 0,01 гр.С, влажности 0,5%, скорости воздуха 0,01 м/с, давления 10 Па), низкой инерционностью и т.д. Применение этих приборов требует их обязательной поверки по стандартным метеорологическим или образцовым приборам. Осредненная скорость движения воздуха определяется путем последовательных замеров в узлах прямоугольной сетки ( с шагом 0,25 - 0,5 В), перекрывающей поперечное сечение хода. Локальные изменения метеоэлементов производят в 5-10-20 см от пола посредине хода с указанием характера подстилающей поверхности ( песок, гравий, лед и т.д.).

При регулярных наблюдениях для выявления крупномасштабных особенностей полей температуры (влажности) производят замерения по длине ходов ( продольные разрезы) по площади залов ( на основе сетки измерительных точек), а также по сечению хода с шагом 0,5 - 1,0 ;0 - 2, 0 - 5,0 м, зависящем от размеров полости и задач исследования. Для определения параметров гидродинамического и термического взаимодействия воздушного потока со вмещающей породой, как правило, в местах с ощутимой воздушной тягой производят градиентные наблюдения на расстояниях 0,1-0,2-0,5-1,0-1,5-2,0 м от пола ( стен), совмещая их с замерами температуры пола ( стен) и всех водопроявлений в исследуемом сечении.

Отбор проб воздуха для изучения газового состава производится путем накачки ( прокачки) в стеклянные газовые пипетки с трубками из вакуумного стекла ( либо в резиновые или полиэтиленовые емкости) объемом не менее 250 мм с зажимами. Размещение точек отбора проб должно выявить вариации газового состава по площади и на разных уровнях пещеры. Режимный отбор проб, обеспечивающий изучение внутрисуточных, межсуточных и сезонных вариаций газового состава воздуха пещер, следует проводить на фиксированных точках.

Обработка наблюдений

Методика первичной обработки резуьтатов наблюдений излагается в соответствующих руководствах ( Методические..., 1951,1953,1954) .

Для обработки результатов измерений, выполненных с помощью аспирационного психрометра и дальнейших расчетов тепловлажностных свойств воздуха следует применять Психрометрические таблицы (1972) и J- диаграмму ( Свойства ..., 1963).

На основе первичных данных наблюдений определяются параметры воздухообмена ( сезонные схемы вентиляции, режимы давления, расход воздушного потока и коэффициент воздухообмена в разные сезоны), величина и направление перепадов температур вода-воздуха, стена ( пол ) - воздух, амплитуды суточных (сезонных ) колебаний основных метеоэлементов по участкам полости и т.д..

По сводным результатам измерений строят графики - изменения температуры ( влажности ) по основным галереям полости, температурные поля по сечениям ходов и площади залов, совмещенные графики суточного (сезонного) изменения метеоэлементов на поверхности и под землей; расчитывают гистограммы распределния температуры ( влажности по длине ходов ,площади или объема полости для вычисления соответствующих осредненных величин, используемых при составлении тепловых балансов и расчетов конденсации. Графически исследуют корреляционные связи между температурой ( влажности ) и глубиной ( длиной) полости , направлением и скоростью воздушного потока и перпадом давления на исследуемом участке и т.д., подбирают апраксимирующие уравнения и находят их коэффициент.

По результатам анализов газового состава воздуха определяют абсолютне пределы изменениний содержания компонентов для данной полости, пределы изменений и средние значения по месяцам и осредненные значения для участков, различных по морфологии и условиям заложения. Строятся графики изменения газосодержания по высоте над полом и графики сезонного хода содержания. Результат газового анализа выражаются в объемных процентах. Для оценки изменения газового состава пещерного воздуха при смешивании с атмосферой использую специальные расчетные приемы .

Изменчивость газового состава воздуха в пространстве пещеры и во времени анализируются в тесной связи с режимом воздушной циркуляции и другими возможными газоформирующими факторами. Для определения генезиса углекислоты используются данные по изотопному составу углерода.

Заключительный этап обработки материала - построение математической модели микроклимата пещеры на основе аналитических зависимостей, балансовых расчнтов, численного моделирования или изучения статистических связей между ее основными морфолого-морфометрическими параметрами, геолого-литологическими, теплофизическими и другими характеристиками и климатическими условиями на поверхности. Что можно охарактеризовать как общие задачи мониторинга пещеры.

При изучении сложных карстовых систем (таковой является Мраморная), и проведении специальных исследований ( изучение причин и динамики развития подземного оледенения, роста геликтитов, что также очень актуально для Мраморной ,и пр.) необходима разработка специальных приборов и методических приемов исследований.

Все данные, на которых базируется настоящая работа, получены в соответствии с требованиями изложенной выше методики. Кроме того для обработки наблюдений использованы не описываемые в методике методы компьютерной обработки информации, получившие распространение только в последние 4-5лет ( на территории СНГ). Использовалась компьютерная база Киевского карстолого-спелеологического центра и Института минеральных ресурсов АН Украины.

4.Характеристика микроклимата пещеры

4.1 Гидрохимическая и температурная характеристика вод пещеры.

Пробы воды отбирались из струй, стекающих со сводов или стен пещеры в разных ее точках. Результаты анализов показывают . что воды в пещере относятся к обычным карстовым с гидрокарбонатным-кальциевым составом. средней минерализации 365 мг/л. Точки отбора проб указаны на рисунке Выделяются две группы анализов : одна в Галерее Сказок ( пробы 1-8 ) со средней минерализацией 0,4 г/л и другая в Обвальном зале или Зале Перестройки ( пробы от 9 -15 ) со средней минерализацией 0,35 г/ л. В первом случае средняя мощность перекрывающих пород составила 16,7 м, глубина от поверхности 25,6 м, во втором 33 и 36 м соответственно . Таким образом отмечается снижение минерализации с увеличением глубины и мощности перекрывающих пород. Соответственно минерализации изменяется агрессивность подземных вод по отношению к кальциту. В первой группе все воды слабо перенасыщены - индекс насыщения колеблется от +0,02 до + 0,19 , во второй группе воды в основном недонасыщены, индекс насыщения изменяется от - 0,08 до +0,08 . Распределение агрессивности подземных вод соответствует распределению натечных образований внутри пещеры ( в верхнем этаже ) . Так , большая часть натечных образований сосредоточена в галерее сказок, в то время как и в Обвальном зале имеются участки аккумуляции карбонатного материала в виде крупных сталактитов , сталагмитов, гуров, так и участки коррозионного выщелачивания.

Температура подземных вод изменяется весьма незначительно, как в разных точках пещеры так и во времени . Так , 16 июля 1992 года температура воды в разных точках пещеры изменялась от 8,4 до 8,5 гр.С ( при температуре воздуха 9,2 - 8,6 гр.С) .Другой замер, 11 сентября, показал, что температура воды в тех же точках : 8,3 - 8,6 гр.С ( температура воздуха 9,2 до 8,8 гр.С).

4.2 Температура воздуха

При описании следующих результатов микроклиматических наблюдений необходимо указать следующее. Из-за отсутствия приборов - самописцев и полной невозможности их получения, изучение микроклимата производилось маршрутными методами. Замеры температуры и влажности воздуха производились аспирационными психрометрами.

Наблюдения велись в постоянно закрепленных точках, количество которых менялось от 9 до 37. После двух циклов наблюдений выяснились наиболее оптимальные 16 точек, которые достаточно характеризовали всю пещеру в целом.

На первоначальном этапе исследований ( 1990 год) было проведено 6 серий замеров температур (апрель - октябрь) данные замеров сведены в таблицу 3. Температура на поверхности менялась от 11 до 19 градусов С, среднее значение 19,5 гр С. Наблюдается последовательное снижение температуры от поверхности к основной части пещеры: от 14,5 до 8,8 грС и небольшое повышение ее от основной части к Тигровому ходу и нижнему этажу. От участка к участку изменяется и амплитуда изменения температур: от 8,1 на поверхности от 0,2 - 0,6 гр.С на Нижнем этаже.

Как и в любой пещере в Мраморной четко выделяется «уравнивающая»и «нейтральная» зоны . В «уравнивающей» зоне хорошо выражены как сезонный, так и суточный ( амплитуда 2,5 гр.С) ход температуры воздуха. В исследуемой полости «уравнивающая» зона распространяется приблизительно на расстояние 25 - 30 метров от входа. Значительное влияние на микроклимат «уравнивающей» зоны оказывает второй ( старый) колодцеобразный вход в пещеру. Благодаря наличию двух входов в привходной части пещеры в пределах 5 - 6 метров от входной двери образуется локальная циркуляция воздуха и тепла. При этом между привходовой частью пещеры и основной ее частью образуется небольшая «буферная» подзона, на которую оказывает влияние как привходовая , так и основная ( «нейтральная» )части пещеры. Иначе говоря, в структуре «уравнивающей» зоны выделяется две подзоны: привходовая и буферная. Их наличием объясняется такой феномен, как снижение температуры между точками 3 (8,3 гр.С) и точками 5 (8,4 гр.С) до 8 гр.С в точке 4 , которая наблюдалась 6 апреля 199о года. Эта аномалия наблюдалась в 10.45 утра, когда воздух на поверхности уже нагрелся до 12,8 гр.С, но в буферной подзоне сохранились температуры затекшего в привходовую часть холодного ночного воздуха. В «нейтральной» зоне выделяется 3 участка с разными средними температурами и амплитудами их изменения. Галерея сказок и Зал Перестройки обладают практически одинаковой средней температурой равной 8,8 гр.С, на 0,1 гр.С температура выше в Нижнем этаже, на 0,2 в Тигровом ходе ( в его ближней части). Указанное увеличение температур связано , по видимому, с большей степенью изолированности от поверхностных условий. Полученные характеристики требуют их уточнения в процессе дальнейших наблюдений.

Таблица 3.

Средние температуры в разных участках пещеры Мраморная, в градусах С.