Сталактитовые пещеры поражают разнообразием причудливых каменных наростов на полу, стенах и потолке. За кажущимся хаосом скрывается, однако, строгий порядок каждая из встречающихся форм зависит от тех физических и химических условий, которые были в период ее образования. Таким образом, сталагмиты и сталактиты могут рассказать о климате Земли в глубокой древности. Если распилить сталагмит или сталактит, окажется, что он состоит из слоев. Там заложен каменный календарь, который мы постепенно учимся понимать.
Как образуются сталактиты и сталагмиты? Они состоят из извести. Точнее, из вторичной извести, которая возникает путем физико-химических превращений из первичной - древних морских отложений, образующих известняковые породы.
Решающую роль здесь играет углекислый газ (СО2), содержащийся обычно в воздухе в количестве около 0,03 процента. Он растворим в воде. Вода, в которой содержится углекислый газ, может растворять известь, причем одна из солей извести - карбонат кальция - превращается в гидрокарбонат:
СаСО3+ СО2+ Н2О Са++ + 2НСО3
Как показывает уравнение, карбонат кальция распался на ионы; этот раствор устойчив лишь тогда, когда в воде избыток растворенного СО2. Чем значительнее этот избыток, тем больше извести может быть растворено в воде.
Дождевая вода, просачивающаяся через слои известняка, содержит некоторое количество углекислого газа, поэтому она способна растворить немного извести. Способность эта сильно увеличивается, если вода проходит сквозь почву, покрытую растительностью. Растения дышат, выделяя СО2 через корни и концентрация углекислого газа в почвенной влаге может возрасти примерно в сто раз.
Такая вода, фильтровавшаяся через богатые известью и углекислым газом пласты, если ее вскипятить, дает известковый осадок на стенках чайника - накипь. Примерно то же происходит в пещере. Так, как воздух в пещере не перенасыщен углекислым газом (в противоположность слоям грунта), избыток СО2 улетучивается из воды и известь выпадает в осадок. При этом протекает химическая реакция, противоположная той, которая шла при растворении.
В пещерах часто встречаются скопления воды, даже небольшие озера. Там осаждается много вторичной извести в виде шестигранных кристаллов. Однако подавляющая часть извести выпадает в осадок не в стоячей воде, а под тонкой пленкой воды, которая струится по потолку, стенам и дну пещеры. Форма каменистого образования зависит от того, каким путем течет вода. Сток постоянно направлен под уклон, безразлично, на потолке или на полу. Предположим, через трещину в горной породе капля воды попадает на наклонный потолок пещеры и стекает сначала на стену, а затем на пол. В смоченных местах осаждается известь. Следующая капля идет тем же путем и чуть-чуть утолщает слой извести. Так возникает натек на стене. Вода, доходящая до пола, уже почти лишена извести и на полу наростов не образуется.
Если капля быстро стечь не может - например, уклон невелик, - она остается, какое-то время висеть на потолке и в этом месте оставляет кольцевидное пятно извести. Следующие капли тоже откладывают здесь слои извести и постепенно образуется тонкая трубочка, вырастающая в потолочную сосульку - сталактит.
В том случае, когда капля, не задерживаясь, отвесно падает на пол, пятно извести образуется на полу. Постепенно в этом месте получается бугорок и падающие капли растекаются по сторонам. Бугорок растет вширь и в конце концов возникает широкий натек.
Предположим, известковый раствор падает равномерно и постоянно. Количество известкового налета уменьшается от «эпицентра» падения кнаружи известковые слои толще в центре и тоньше по краям. Когда друг на друга накладывается много таких слоев, они выпячиваются куполообразно вверх - на широком натеке, покрывающем пол, вырастает сталагмит. Он нарастает равномерно по всему поперечнику и на его поперечном разрезе видны кольца, очень похожие на кольца деревьев.
Форма сталагмитов может быть разной. Иногда они имеют простую цилиндрическую форму, иногда похожи на конусы, стоящие на основании или вершине. Правда, в большинстве случаев сталагмит так обволакивается натеками, что едва можно узнать в нем цилиндр или конус. В чем же причины возникновения различных форм?
Как будет выглядеть сталагмит, зависит в значительной степени от концентрации извести и притока раствора. Интересно, что темп роста в высоту не ускоряется, если вода начинает поступать быстрее. Усилившийся приток вызывает ускоренный рост в толщину. В дождливые периоды возникают толстые, а в сравнительно засушливые времена - стройные сталагмиты.
На протяжении столетий приток раствора постепенно сокращается - сталагмит кверху становится тоньше, - возникает конус. Возрастание притока раствора приводит к образованию перевернутого конуса.
Значит, если определить время рождения и роста сталагмита, можно сделать выводы о том, каков был климат в ту эпоху.
Геологам и палеоклиматологам повезло вторичную известь можно датировать методом радиоактивного углерода (обычно его удается применить лишь к органическим материалам).
Напомним, на чем основан этот метод, широко применяющийся в археологии и биологии.
Под действием бомбардировки нейтронами космических лучей в атмосфере из азота N 14 образуется радиоактивный углерод С14. Он имеет период полураспада 5 568 лет; по окончании этого срока остается точно половина первоначального количества изотопа. На Земле возникает и распадается за год примерно 10 килограммов С|4. Возникающий в атмосфере радиоактивный углерод соединяется с кислородом, превращаясь в углекислый газ. Но от атмосферного углекислого газа зависит растворение извести. Сталагмиты содержат, правда и углерод из древних первичных известей, в которых радиоактивный изотоп давно распался.
Радиоуглеродный метод позволяет датировать материалы, в состав которых входит углерод из атмосферы и возраст которых не более 50 000 лет (через более долгий срок распадающегося радиоуглерода остается так мало, что точный анализ уже невозможен).
Зная возраст основания и вершины сталагмита, можно рассчитать темпы его роста. Пробы извести из сотни сталагмитов были проанализированы и полученная диаграмма оказалась очень интересной. Известковые натеки рассказали о том, когда начался и окончился последний ледниковый период в Центральной Европе 20 000 лет назад рост сталагмитов прервался, а 12 600 лет назад возобновился.
Выявились заметные различия между нашей эпохой, начавшейся после того, как растаял ледник и периодом, предшествовавшим последнему оледенению. Древние сталагмиты толще (мы помним, что толщина сталагмита зависит от притока богатой известью воды). Более толстые сталагмиты должны были возникать в дождливую прохладную эпоху (углекислый газ лучше растворяется в холодной воде). «Новые» сталагмиты (пять - десять тысяч лет) тоньше.
В пещере Постойнска-Яма в Югославии лежит известковая колонна метровой толщины, на которой вертикально растут новые сталагмиты. Радиоуглеродное датирование позволило определить, когда упал этот колосс - 10 200 лет назад. Чем было вызвано это падение, пока неясно. Возможно, это результат землетрясения, а может быть, основание сталагмита было подмыто подземным ручьем.
Открытия, сделанные в последние годы благодаря определению возраста натеков, доказали, что этот метод хорошо дополняет другие методы исследования климата Земли.
