Микроклимат пещеры Мраморная и формы антропогенного влияния

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.

|Участки | Отдельные |Средняя температура |Амплитуда |Количество |С v |

| |галереи | | |замеров | |

|Поверхность | |14,7 |8 |6 |0,2 |

|Вход, перед | |13,6 |8,1 |7 |0,21 |

|дверью | | | | | |

|«Уравнивающая» зона | |9,6 |2,3 |7 |0,1 |

| | | | | | |

|«Нейтральная зона |Галерея сказок и |8,8 |0,5-0,8 |50 |0,3 |

| |Зал Перестройки | | | | |

| «Нейтральная |Тигровый ход |9,0 |0,6 |12 |0,03 |

|зона | | | | | |

|«Нейтральная |Нижний этаж |8,9 |0,2-0,6 |19 |0,01 |

|зона | | | | | |

Результаты измерения температуры в пещере за период 1996 - 1997 год

отражены на графике «Пещера Мраморная, среднемесячная температура»,

построенном с помощью специальной компьютерной программы .

Анализируя получившееся графическое изображение изменения

среднемесячных температур в пещере можно сделать выводы о степени влияния

антропогенных факторов, которые будут рассмотрены ниже.

4.3 Влажность

Так же как и температура воздуха распределяется влажность внутри пещеры

( таблица 4). При этом наиболее высокая влажность закономерно соответствует

нижнему этажу пещеры, средняя величина ее здесь равна 11,1 Мб, в остальных

подзонах «нейтральной»зоны и в «уравнивающей» зоне средняя влажность

практически одинаковая - 16,9 Мб (Таблица 4), однако амплитуда Сv здесь

значительно отличаются друг от друга. Средняя влажность на поверхности

значительно ниже таковой в пещере - 9,6 Мб. Это свидетельствует о

преимущественном испарении из пещеры в исследуемый период, что связано с

экстремально сухим и жарким летом и осенью. Только в один из замеров (30

июня ) влажность на поверхности ( 14,6 Мб) была выше таковой в пещере (

11,6 Мб ) . Это хорошо согласуется с визуальными наблюдениями,

свидетельствующими о значительном испарении пещеры ( стенки и натеки сухие,

большинство ванночек высохло и т.д. ).

Более конкретные данные о режиме влажности можно почерпнуть из графика

«Средняя месячная влажность воздуха в пещере Мраморная за период 1996-1997

года».

Ощутимое увеличение влажности наблюдается в средней части Тигрового

хода , и уменьшается к дальней его части.

Ход влажности в переходной зоне в грубо сглаженном виде повторяет ход

влажности на поверхности, он практически никак не влияет на таковой во

внутренних зонах пещеры. На суточный и возможно, сезонный ход влажности во

внутренних частях пещеры не влияет также ход этого метеоэлемента на

поверхности, а также изменение давления.

Таблица 4

Средняя влажность в разных участках пещеры Мраморная, Мб.

|Участки |Средняя |Амплитуда |Количество |Сv |

| |влажность | |замеров | |

|Поверхность |9,9 |8,8 |6 |0,27 |

|Вход, перед дверью |9,0 |10,6 |7 |0,39 |

|«Уравнивающая зона» |10,9 |1,9 |7 |0,05 |

|«Нейтральная|Галерея сказок и зал | | | | |

|зона» |Перестройки |10,9 |0,9 |50 |0,02 |

|«Нейтральная|Тигровый ход |10,9 |1,1 |12 |0,03 |

|зона» | | | | | |

|«Нейтральная| Нижний этаж |11,1 |0,3 |19 |0,011 |

|зона» | | | | | |

4.4 Содержание СО2 в воздухе пещеры

В различных точках пещеры отобрано 26 проб. Пробы отобраны в стеклянные

пипетки ( по методике ИГН АН Украины) и проанализированы в лабораторных

условиях на хроматографе «Виру-Хром» детектор-катерометр, газ - носитель -

гелий, колонка - 1 - полисорб, колонка 2 - молекулярные сита СаА.

Кроме этого, произведено 37 измерений СО2 на месте портативным

хроматографом «Поиск - 1», детектор - катарометр, газ - носитель - аргон.

Содержание азота в воздухе пещеры колеблется от 78,45 до 79,11 об.%,

кислорода от 20,16 до 21,19 об.% ( из-за близкой теплопроводности кислород

Страницы: 1, 2, 3