Микроклимат пещеры Мраморная и формы антропогенного влияния
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
Страницы: 1, 2, 3, 4
|