Опубликовано в Вестнике Академии ДНК-генеалогии, т. 10, № 3, 2017 г. - http://dna-genealogy...0-no-3-2017-r94
ДНК-генеалогия, палеоклимат и геоморфология
Гидродинамический карст
В. П. Юрковец, С. И. Василенко
valery.yurkovets@gmail.com
Климатические изменения разного ранга, от глобальных до региональных, играли и продолжают играть главную роль в миграциях человечества. Оледенения и межледниковья, увлажнения или иссушение климата, гигантские извержения, падения космических тел на землю в разной степени влияют на среду обитания, но всегда вынуждают (катастрофы, сужающие жизненное пространство) или побуждают (оптимумы, расширяющие территории с благоприятными условиями обитания) людей, попавших в зоны их влияния покидать обжитые места и отправляться в путь в поисках лучшей доли. Масштабные катаклизмы последних тысячелетий – крах великих империй железного века и «великое переселение народов», катастрофа бронзового века, упадок культур энеолита, затопление огромных пространств в результате таяния ледников, конец мадлена как экологического феномена – все эти пять катастроф в истории человечества хронологически совпадают с иссушениями зоны умеренного климата, вызванными потеплениями от пребореала до субатлантика. В промежутках между потеплениями наступали оптимумы, которые приводили к расцвету этих территорий и расширению человечества (Юрковец, 2012а).
Соответственно, периоды иссушений пресекали развитие части его древних ветвей, а оптимумы наоборот – создавали условия для появления новых побегов на человеческом древе. Сейчас мы входим в очередной климатический кризис, вызванный наступлением очередного потепления, названного «глобальным», хотя его влияние, как и прежде, коснётся только зоны умеренного климата. Тем не менее, в этой зоне проживает самая значительная часть современного человечества, поэтому его последствия в той или иной мере затронут всех ныне живущих, т.е. ныне они действительно будут носить глобальный характер, оправдывая название текущего потепления.
Сопоставление палеоклиматических событий с филогенетическим древом Y-хромосомы показывает практически стопроцентную корреляцию между изменениями климата и событиями филогенеза на глубину около 70 тысяч лет. В течение всего этого времени численность и родовое разнообразие человечества испытывали многократные пульсации. В периоды межледниковий и увлажнений зоны умеренного климата наблюдалось ветвление Филогенетического древа, т.е. имело место расширение человечества и образование новых его ветвей-гаплогрупп. В периоды климатических катастроф (наступление оледенений, ритмические иссушения зоны умеренного климата, внезапные космогенные катастрофы) происходило либо пресечение гаплогрупп, оказавшихся в неблагоприятных условиях, либо прохождение ими бутылочных горлышек, что приводило к общему сокращению численности человечества (Юрковец, 2012а; Юрковец, 2013).
Всякое изменение климата оставляет на поверхности земли неизгладимые последствия в виде речных, озёрных и морских террас, почвенных и литогенных отложений, следов прохождения ледников и связанных с ними потоков, чередовании ископаемых биоценозов и пр. На Филогенетическом древе Y-хромосомы им хронологически соответствуют чередования периодов ветвления – образование новых гаплогрупп в оптимумы, или прохождение выжившими ветвями бутылочных горлышек в периоды климатических катастроф. Таким образом, всякое событие филогенеза на филогенетическом древе Y-хромосомы человека имеет на поверхности земли своего «двойника» в современных (четвертичных) отложениях. Точнее - в отложениях позднего плейстоцена и голоцена. К позднему плейстоцену относят хронологический интервал 126 – 11,7 тысяч лет назад; промежуток 11,7 – ныне относится к голоцену. Филогенетическое древо охватывает период 70 тысяч лет назад – современность, без учёта филогении «африканской» палеогаплогруппы А, которая пока неизвестна (Klyosov, Rozhanskii, 2012). Поэтому искать «двойников» следует не во всём позднем плейстоцене-голоцене, а начиная примерно с наступления валдайского (вюрмского, висконсинского) оледенения 70 тысяч лет назад.
Как показали расчёты по сверхмедленной 22-маркерной панели (Клёсов, 2011), подтверждённые в 2015 году расчётами по случайной выборке 403 111-маркерных гаплотипов от В до Т (Клёсов, 2015), человечество прошло жёсткое бутылочное горлышко 64 ± 6 тысяч лет назад. Тогда оно практически исчезло и возродилось вновь в потомках единственно выжившей гаплогруппы «бета». В этой связи возникает вопрос: какие следы на нашей планете оставил катаклизм, приведший к прохождению бутылочного горлышка - ни много, ни мало - всем человечеством? Судя по тому, что он практически полностью зачистил нашу планету от других ветвей, которые неизбежно должны были сосуществовать с прародителем гаплогрупп от В до Т, его следы должны были остаться на всей суше, за исключением тех территорий, которые позднее были перепаханы Валдайским (Вюрмским, Висконсинским) оледенением.
Частично ответ на этот вопрос уже изложен в статье «Климатическая катастрофа гаплогруппы «бета» (Юрковец, 2015). Сейчас, по мере анализа самых различных четвертичных образований, особенно тех, происхождение которых составляет загадку для современной науки (например, образование курумов и лёссовых толщ), появляется всё больше данных, говорящих о том, что современный облик во всём его многообразии поверхность нашей планеты приобрела совсем недавно, и в пределах именно этой даты - 64 +/- 6 тысяч лет назад. По геологическим меркам - это буквально вчера. За исключением, повторимся, территорий, преобразованных последним оледенением, которое, однако, затронуло только северное полушарие (Юрковец, 2012б).
К исключениям следует также добавить территории импактных событий, произошедших после этой даты. Одно из этих событий, имевшее планетарные климатические последствия, уже известно. Это падение на север Восточной Европы астероида около 11 километров в поперечнике, образовавшего котловину Ладожского озера. В результате спровоцированного падением масштабного извержения в атмосферу было выброшено 1500 кубических километров вулканического пепла. Это стало причиной т.н. «ядерной зимы» палеолита (Синицын, 2002), когда Русская равнина была засыпана вулканическим пеплом от Балтики до Азовского моря, накрывшим, в частности, палеолитические стоянки Костенковско-Борщевского района, что вынудило их обитателей отправиться в вынужденные миграции (Юрковец, 2012а). На Филогенетическом древе Y-хромосомы, построенном по данным анализа гаплотипов «медленной» 22-х маркерной панели (Klyosov, Rozhanskii, 2012), к этому событию приурочено образование предковых субкладов современных гаплогрупп C, I, J, R и Q. География распространения этих гаплогрупп и возраст их общих предков показывает, что катастрофа затронула только сводные гаплогруппы IJ и QR. Гаплогруппа С отделилась от общего предка IJ и QR и мигрировала в восточном направлении задолго до этого события, судя по времени отделения, в связи с наступлением Костёнковского межледниковья. Сопоставление археологических данных по палеолитическим стоянкам Костёнок, с одной стороны, и географии современного распространения дочерних ветвей IJ и QR, с другой, показывает, что IJ и QR были разделены на западную и восточную ветви пепловым шлейфом. Это, в свою очередь, означает, что развитый верхний палеолит был принесён в Западную Европу, Левант и Сибирь с территории Русской равнины, где имеются его корни, уходящие по времени в предшествующую мустьерскую эпоху (Юрковец, 2012а).
Настоящая статья посвящена одному из аспектов данной проблемы – карсту, в формировании которого, как показало данное исследование, пока не учитывается прохождение по территориям его развития нескольких волн космогенного мегацунами, сформировавших современный облик большинства как подземных полостей, так и поверхностных карстовых форм.
Осенью 2016 года авторы этой статьи исследовали пещеры 1-я Бикинская и 2-я Бикинская. Пещеры были открыты в бассейне р. Бикин Приморского края в начале 1976 года краеведческой экспедицией Приморского филиала Географического общества СССР. Рекогносцировочная поездка к пещерам была предпринята годом раньше – осенью 2015 года. Тогда мы смогли только констатировать, что в настоящее время, в отличие от 1976 года, свободный доступ в пещеры невозможен - вход в 1-ю Бикинскую ныне закрыт оползнем, а 2-я Бикинская оказалась затоплена (Юрковец, 2016). Для того, чтобы попасть вовнутрь, нужно организовывать работы по расчистке и привлекать дайверов, что для дела с неясными перспективами тогда представлялось проблематичным, поскольку пещеры, по данным предварительных исследований, проведённых в предыдущие годы, особого интереса не представляли ни в плане туристическом, ни научном (Берсенев, 1998-2002). Сделав у входа во 2-ю Бикинскую несколько фото «на память», мы отложили это дело до лучших времён.
Однако после возвращения домой перспективы неожиданно обнаружились. На сделанных нами фотографиях скалы, в основании которой находится вход в пещеру, отчётливо проявились характерные следы кавитации, на которые мы не обратили внимание на местности. Такие следы образуются при воздействии на горную породу мощного скоростного потока, которому в верховьях небольшого ручья, где расположены пещеры, взяться было неоткуда ввиду ничтожности водосбора. Для более подробной документации этих следов и возможного определения по ним параметров потока в 2016 году была предпринята повторная поездка к бикинским пещерам. Которая показала, что характер и морфология следов кавитации указывают на эворзионно-кавитационный процесс, который возникает в местах образования мощных водоворотов, вырабатывающих в породах за очень короткие промежутки времени огромные полости.
Все известные к настоящему времени формы такого рода связаны с катастрофическими потоками, образованными либо прорывами ледниково-подпрудных озёр, либо космогенным мегацунами (Гросвальд, 1999; Рудой, 2000; Юрковец, 2015). Это означает, что пещера 2-я Бикинская представляет очевидный интерес в плане поиска своего подводного продолжения, которое может оказаться значительным, учитывая тот факт, что это единственное в Приморье место, где активное карстообразование продолжается и в настоящее время (Берсенев, 1998-2002).
Кроме перспектив обнаружения крупных подземных пустот, заполненных водой, данное обстоятельство указывает на ещё один агент карстообразования - кавитацию, которая пока не нашла своего отражения в работах карстологов. Кроме того, обнаружение следов кавитации в зоне развития карста позволяет определиться с некоторыми явлениями в карстологии (в частности, c проблемой образования т.н. «силикатного» карста), которые пока остаются дискуссионными.
Карстовые пещеры
Основными условиями развития карстовых пещер в растворимых горных породах являются наличие в них трещиноватости, по которой происходит движение грунтовых вод, для чего, в свою очередь, необходимы перепад высот между зонами питания и разгрузки и достаточная площадь водосбора. К карстующимся породам относятся карбонаты - известняки, доломиты, мел, мраморы; сульфаты - гипсы, ангидриты; галоиды - каменная, калийная соли. Наибольшей раздробленностью и трещиноватостью горные породы характеризуются в зонах тектонических нарушений. Крупные раскрытые трещины превращаются в каналы стока карстовых вод, что в значительной мере определяет гидрогеологические условия в зонах развития карста. Связь карстовых форм с элементами разрывной тектоники прослежена повсеместно. Основную роль в формировании карстовых полостей играют инфильтрационные (просачивающиеся) и инфлюационные (свободно втекающие) дождевые и талые снеговые воды. Считается, что формирование большинства карстовых полостей происходит, главным образом, за счёт коррозии – химического выщелачивания, второстепенное значение имеет эрозия – механический размыв. Согласно действующей классификации, данный подтип пещер (коррозионно-эрозионный) является самым распространённым. Существуют также нивально-коррозионный, коррозионно-гравитационный, коррозионно-абразионный, травертиновый подтипы карстовых пещер (Чикишев, 1973; Горбунова, 1985; Тимофеев и др., 1991).
Кроме того, Г. А. Максимовичем выделяется в особый тип брадикарст или силикатный карст в кварцитах и кварцевых песчаниках, проявляющийся как химическое и биохимическое выветривание силикатных пород в тропической зоне, сопровождающееся возникновением форм аналогичных карстовым (Максимович, 1975). Основным агентом силикатного карстообразования в модели, предложенной Максимовичем, является широко распространённое в тропиках органическое вещество (гуано, лесной опад, останки животных и др.), подкисляющее просачивающиеся воды, которые, как считается, в результате обретают способность очень медленно (отсюда - брадикарст, от греческого брадис – медленный, слабый) растворять силикатные породы.
В работе «Карст в земной коре: распространение и основные типы» (Ежов и др., 1991) определение силикатного карста расширено за счёт любых пород, целиком или частично сложенных силикатами, в которых наблюдаются формы и проявления, сходные с карстовыми. Одновременно, авторы обращают внимание на то, что подобные карстовым поверхностные и подземные формы в таких породах (гранитах, базальтах, кварцитах, железистых кварцитах) описаны многими исследователями для различных климатических зон земного шара - от полярных (Чукотский полуостров) до субтропических и тропических (Центральная и Южная Африка, Бразильское нагорье). В том числе, и там, где сколько-нибудь значимого распространения органического вещества, могущего быть агентом коррозии, не наблюдается. И где иные процессы денудации имеют заведомо большие агрессивность и динамику, на фоне которых отдельное вычленение брадикарста представляется невозможным. Из этого следует неизбежный вывод, что в случае с карстовыми формами в нерастворимых водой породах мы имеем дело либо не с карстом, либо агент коррозии в областях развития силикатного карста определён неверно.
Гидродинамический карст
После посещения бикинских пещер появился ещё один вариант: формы подобные карстовым в нерастворимых породах, как и значительная часть форм «классического» карста, являются результатом не коррозии, а вызваны эффектами, возникающими при прохождении через территории, в том числе через уже существующие полости самого различного генезиса (карстовые, тектонические, эрозионные, вулканические), мощного скоростного потока. Обтекание мощным потоком неоднородностей рельефа, прохождение им узких мест, приводит к образованию вихрей, пульсациям струй и, как следствие, к гидравлическим скачкам, когда скорости течения резко возрастают, а давление столь же резко падает. При определённых соотношениях скорости и глубины потока в таких местах могут развиваться процессы кавитации (Baker, Costa, 1987).
Кавитацией называется явление образования парогазовых пустот в жидкости. В случае гидродинамической кавитации, с чем мы имеем дело, уменьшение давления ниже критического (давление насыщенного пара), когда начинается образование пустот, вызывается увеличением скорости потока, что зависит от формы и ориентации в пространстве элементов рельефа относительно вектора скорости. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением кавитационная полость схлопывается, излучая при этом ударную волну, которая обладает большой разрушительной силой. Чем больше перепад скорости, тем больше разрежение, тем интенсивнее кавитация.
Специфические формы рельефа, сформированные с участием кавитации, описаны в рамках теории флювиогляциального (дилювиального) морфолитогенеза А. Н. Рудого (Рудой, 2000). Это огромные, диаметром в сотни и глубиной в десятки метров водобойные ванны, воронки и котлы высверливания (т.н. «исполиновы котлы»), которые за считанные часы вырабатываются в зоне действия водопадов и мощных водоворотов при прорывах ледниково-подпрудных озёр. Водобойные формы являются одним из диагностических признаков мощных потоков, формирующих скэбленды - особые ландшафты гидросферных катастроф. По определению М. Г. Гросвальда, «скэбленд (channeled scabland) - площадь, рассеченная параллельными ложбинами, изобилующая каплевидными холмами, водобойными котлами и следами кавитации; геоморфологический ландшафт, созданный гидросферной катастрофой (мегафладом)» (Гросвальд, 1999).
Ещё больше кавитационных форм и проявлений по всему миру образовано в результате прохождения космогенного мегацунами, имевшему место 64 +/- 6 тысяч лет назад. Оно оставило многочисленные следы и формы кавитационного воздействия на породы самого различного состава в самых различных ландшафтных условиях. К ним относятся геоскульптурные образования, вортексы, спилвеи, а также грубообломочный неокатанный материал дилювия (Юрковец, 2015).
Как уже отмечено в предыдущем исследовании, классификация геоморфологических форм, которые оставляют мегапотоки, а главное - их диагностика, основаны на морфологических принципах. Следовательно, они могут использоваться, как инструментарий, с помощью которого можно выявлять следы гигантских мегапотоков по изображениям любого рода – фотографиям, видео, картам и топогеодезическому инструментарию Google. В полной мере это относится и к следам кавитации в карсте, что и будет использовано в данном исследовании.
Следы и формы кавитации, образованные мегафладами, делятся на две неравные группы. Первая – это кавитационные образования, морфологически подобные выщелачиванию. Очевидно, они образованы локальными вихрями, которые образуются на поверхности горных пород на начальной стадии кавитации, когда увеличение скорости потока достаточно только для образования небольших парогазовых пузырьков. Вихревые шнуры насыщены такими образующимися и схлопывающимися пузырьками, поэтому обладают сверхвысокой абразивной способностью. В месте неоднородности образующийся кавитационный вихрь «прилипает» к поверхности породы и вырабатывает каверну, внешне не отличимую от поверхности выщелачивания. Многочисленные примеры такой работы кавитации можно видеть на поверхности гранитов в районе с. Чистоводное Приморского края, которые находятся недалеко от побережья Японского моря. Здесь они встретили удар космомегацунами практически во всей его мощи – рис. 1, 2.
Рис. 1.
Рис. 2
Разумеется, ни о каком выщелачивании здесь речи идти не может, поскольку эти формы образованы в позднемеловых гранитах, выходы которых занимают самые верхние части рельефа на данной территории – рис. 3. Их можно было бы отнести к проявлениям силикатного карста, в соответствии с определением, предложенным в работе «Карст в земной коре: распространение и основные типы» (Ежов и др., 1991), однако, для этого необходимо расширить определение собственно карста за счёт любых форм, образованных гидродинамической кавитацией в любых породах. Либо ввести для подобных форм (в любых породах, в том числе, карстующихся) собственное определение, например, «гидродинамический карст».
Рис. 3
Аналогичные формы встречаются и на значительном удалении от побережья, например, на Красноярских столбах. Там они также наблюдаются на вершинах, где никакого выщелачивания быть не может. Где-то они, как две капли воды, похожи на то, что наблюдается в Приморье – рис. 4.
Рис. 4.
Точно такие же следы, которые в карстоведении объясняются неравномерным выщелачиванием, мы наблюдаем на скале, в основании которой находится вход в пещеру 2-я Бикинская – рис. 5.
Рис. 5.
Крупным планом самая широкая каверна показана на рис. 6. Её длина больше полуметра.
Рис. 6
У основания скалы, практически на входе, находится начало сифона, в который в 1976 году уходило четыре ручья, вытекающих с восточного борта пещеры. Сейчас это место затоплено, в сифон по склону карстовой воронки сползло упавшее дерево, плюс входное отверстие оказалось заблокировано небольшими глыбами, сползшими вместе с ним. Поэтому измерить глубину подводной полости и на этот раз, как и в далёком 1976 (Юрковец, 2016), у нас не получилось. Правда, нам удалось просунуть между глыбами под углом около 45 градусов шест на расстояние немногим более 5 метров, который упёрся в западную стенку полости. Предварительно оценить её размеры у входа можно ещё одним способом. На рис. 5 слева внизу из воды торчит комель сползшего в сифон дерева, присыпанный снегом. Судя по его диаметру (около 20 см) и высоты подобных деревьев, растущих неподалёку, под водой находится ствол не менее 15 метров в длину. К сожалению, ничего более определённого о размерах полости пока сказать невозможно.
Зато входная часть сохранила вертикальную «шкалу» действия различных стадий гидродинамического карста в трещиноватых известняках, в которых находится 2-я Бикинская. Сохранности этих следов способствовало практически полное отсутствие водной эрозии скалы выше современного уровня затопления в течение всего времени, прошедшего после прохождения космогенного мегацунами. Даже меандрирующий ручей, протекающий совсем рядом, за истекшие 64 +/- 6 тысяч лет не смог пропилить себе путь в пещеру, несмотря на то, что его уровень находится на 10-15 метров выше, а по аллювию со стороны ручья в неё просачиваются четыре чётко выраженных потока (Юрковец, 2016).
Рис. 7
«Шкала» представлен на рис. 7. В верхней части мы видим заглаженную движущейся водой трещиноватую поверхность, где преобладало химическое растворение (коррозия). Повторим, что здесь был мощный водоворот, образованный уходящим вниз потоком. Ниже, где поток начинал сужаться, входя в сужающуюся карстовую воронку, скорость вращения расти, а давление падать, начинается зона действия начальной – пузырьково-вихревой стадии кавитации, которая вырабатывала гладкие каверны разной, в зависимости от скорости потока, размерности. Чем ниже, тем крупней – рис. 5.
Ещё ниже, где сечение карстовой воронки уменьшается, скорость становилась всё больше, соответственно, давление продолжало падать, в результате чего кавитация переходила в развитую стадию, при которой образуются крупные парогазовые пустоты. Схлопывание которых начиналась сразу же при достижении вместе с потоком начала расширения воронки – ниже ломаной линии под каверной на нижней половине рис. 7. Здесь ударная волна схлопывания производила уже более серьёзную работу – откалывала крупные фрагменты, составляющие «обязательную» часть дилювия суперпотоков и образуя характерную поверхность разрушения, очень далёкую от форм коррозии, которая считается основным агентом образования карстовых пещер. Крупным планом поверхность разрушения показана на рис. 8 (вдоль трещиноватости) и рис. 9 (поперёк трещиноватости). Эти образования составляют вторую группу следов и форм уже развитой кавитации, оставленных суперпотоками. Часть дилювия осталась на месте – рис. 9 (внизу слева).
Рис. 8.
Рис. 9.
Трещиноватые известняки в данном случае сыграли роль в меру податливой среды-индикатора, в которой развитая форма кавитации смогла практически в «стендовом» режиме оставить свои следы. В целом же вход в пещеру 2-я Бикинская представляет собой наглядную иллюстрацию двух форм кавитационного воздействия в карсте. Опираясь на эту «шкалу», можно классифицировать результаты работы обойдённого вниманием исследователей агента карстообразования там, где он пока не принимался в расчёт. Например, в крупных пещерах, где потоки были гораздо масштабнее.
Крупнейшая пещера Приморья – Мокрушинская. Она находится в Ольгинском районе на расстоянии всего около 8 километров от побережья, поэтому космомегацунами имело здесь максимальную для данной территории энергию. Соответственно, кавитация сформировала в Мокрушинской пещере, вероятно, самые грандиозные на Дальнем Востоке России формы. На рис. 10 – вход в тоннель в районе подземного озера, находящегося в нижнем ярусе пещеры.
Рис. 10.
Отчётливо видны две генерации кавитационных каверн – по более крупным, субметрового диапазона, развиты каверны дециметровой размерности. Далее - за ломанной линией входа в тоннель, где скорость водоворота скачкообразно росла, наблюдается поверхность разрушения подобная той, что мы видим на рис. 7, 8, 9 вертикальной «шкалы» стадий кавитации пещеры 2-я Бикинская. Очевидно, в кавитационном кавернообразовании в пещере Макрушинской принимали участие две волны космогенного мегацунами из предполагаемых трёх (Юрковец, 2015). Либо у третьей волны не хватило энергии (высоты и скорости) для формирования каверн, либо первая, в силу своей чрезмерной мощности, продуцировала исключительно развитую кавитацию, формировавшую только поверхности дробления. Вопрос остаётся открытым, поскольку возможны и иные объяснения, связанные с изменениями давления, от которого также зависит формирование кавитационных пустот.