Пещера освещённого дома
Пещера освещённого дома (англ. Cave of the Lighted House, исп. Cueva de Villa Luz, Cueva de la Sardina, Cueva de las Sardinas, Cueva del Azufre) — пещера, расположенная в 2 километрах к югу от города Тапихулапа (муниципалитет Теапа в штате Табаско, южная Мексика)[1]. Относится к гипогенному типу, то есть образована в результате действия поступающей из недр планеты, а не просачивающейся сверху воды. Пещера появилась в результате размывания серо-насыщенными водотоками блока микрокристаллического известняка нижне-мелового периода. Пещера освещённого дома является одной из 3 пещер в мире (наряду с пещерой Лечугия в США и пещерой Мовиле в Румынии), которые образовались в результате воздействия серной кислоты на горные породы[2]. Происхождение поступающего в пещеру сероводорода окончательно не выяснено, но существует 2 его возможных источника: нефтяной бассейн Вилья в примерно 65 километрах к северо-западу (по другим источникам в 50 километрах) или проходящий в 10 километрах от пещеры андезитовый поток третичного периода (который породил извергающийся с 1982 года вулкан Эль-Чичон в 50 километрах к западу от пещеры)[1]. Некоторые специалисты на основе содержания изотопа серы 34S в атмосферном сероводороде и химического анализа подземных вод склоняются к версии нефтяного происхождения сероводорода в пещере[3].
Окрестности[править]
Пещера расположена в холмистой зоне тропического климата с пышной растительностью и обильными осадками (550 сантиметров в год). Вмещающий пещеру блок известняка находится в простирающейся на северо-запад геологической антиклинали с центральным возвышением к югу от пещеры освещённого дома по оси восток-северо-восток. К северо-востоку от пещеры бьёт не меньше 9 насыщенных серой поверхностных и подземных источников, схожих по температуре и уровню кислотности с пещерой освещённого дома и приуроченных к северо-северо-западной (пониженно-вогнутой) границе указанной антиклинали. При этом в 3 поверхностных источниках и 2 подземных (в пещере The Other Buzzing Passage) зафиксированы пузырьки газа (предположительно диоксид углерода CO2). Ученые предполагают, что другие источники тоже имели в своей составе газ, но утратили его до выхода на поверхность[1].
Пещера является единственной в своем блоке известняка, однако рядом с пещерой освещённого дома расположено еще несколько пещер в известняковых породах. Бьющие из под земли ключи питают подземные водоемы пещеры El Azufre. В 27 километрах к западо-северо-западу на поверхность земли выходит фреатическая подземная система в виде сернистого целебного источника. Химический состав и температура указанных источников также имеет много общего с водными потоками пещеры освещённого дома. В 7 километрах к востоку от El Azufre находится популярная среди туристов пещера Grutas de Cócona, появившаяся в результате размывания известняка гипогенными потоками (в настоящее время вода в пещеру не поступает). В 1 километре к востоку от пещеры освещённого дома находится аналогичная древняя гипогенная пещера Grutas de Cuesta Chica[1].
Использование[править]
Пещера освещённого дома была известна и посещалась местным коренным народом Мексики и потомком Ольмеков[4] Зоки (Zoque) из Тапихулапа и ее окрестностей на протяжении веков (которые в сухой сезон ловили рыбу в пещерном потоке, обставляя это как специальную церемонию под названием La Ceremonia de la Pesca). Индейцы поднимались к пещере на лодках по реке Almandro, откуда к пещере освещённого дома ведет тропа[4]. Хозяйственное использование пещеры как место рыбалки обеспечивало местные племена источником пропитания, когда запасы еды от прежнего урожая заканчивались, а время сбора нового урожая еще не наступало. Перед каждой рыбалкой во время специальной ритуальной церемонии шаманы просили богов-хранителей пещеры (носивших имена «Дед» и «Бабушка») позволить людям воспользоваться их дарами. Сама ловля рыбы происходила в 100 метрах от входа выше по течению подземного потока традиционным для Центральной Америки методом: в воду опускали измельченные корни лозы барбариса и известь, которые вытесняли из воды кислород и заставляли рыбу подниматься к поверхности, одновременно делая ее вялой из-за нехватки кислорода. Проводившаяся на протяжении доисторических и исторических времен церемония была заброшена только в середине 1940-х годов, после перерыва возрождена в 1987 году местным жителем Хосе Васкесом и теперь организуется каждую весну[1], привлекая сотни людей[4]. Чтобы уменьшить вредное воздействие сероводорода, местные племена не проникают в глубину пещеры и стараются побыстрее покинуть пещеру освещённого дома[4]. Рыбалка проводится при помощи свечей, а саму рыбу сушат, чтобы избавиться от привкуса серы[4].
Изучение[править]
Сама пещера представляет собой научный интерес как легкодоступный (например не требующий для проникновения по сравнению с румынской пещерой Мовиле погружения в воду в водолазном снаряжении) для изучения пример развитой хемоавтотрофной экосистемы (основанной на хемосинтезе пищевой цепочки) и спелеогенеза (образования пещер) на основе соединений серы, а также как место проведения религиозных ритуалов коренными жителями Мексики в древности. Изучение пещеры затруднено опасными для здоровья людей газами (сероводородом, угарным газом, углекислым газом, сернистым газом[4]) которыми насыщена атмосфера пещеры освещённого дома (что требует применения химических анализаторов для определения уровня сероводорода в воздухе и зачастую делает возможным работу в пещере только в противогазах). Первое научное исследование пещеры осуществили биологи Гордон и Розена в 1962 году (задачей которых было изучение обитающих там рыб, насекомых и пауков). В феврале 1987 года пещеру посетили спелеологи Jim Pisarowicz и Warren Netherton, которым местные жители рассказали о вытекающем из пещеры странном потоке белого цвета (сделанные ими фотографии внутри пещеры были представлены на собрании Национального спелеологического общества в 1988 году). В ходе экспедиции 1988 года химик и спелеолог Марк Минтон с помощью индикаторной бумаги определил уровень кислотности капель из снотитов (англ. snottites). Снотиты представляют собой слизистые сталактиты с живущими внутри них колониями микробов. Экспедиция 1989 года провела отбор проб атмосферного сероводорода, а также собрала образцы серы и гипса для изотопного анализа. Во время экспедиции 1988 года была составлена предварительная, а во время экспедиций 1996—1997 и 1998 года — точная карта пещеры. Также во время экспедиции 1996—1997 года были собраны образцы отложений со стен, пола, потолка и сталактитов для биологического анализа, что дало более глубокое изучение колоний бактерий в среде с низких уровнем pH. В 1989 году индикаторной трубкой насоса Kitagawa (типы SA и SB) был осуществлён первый забор проб воздуха для определения уровня сероводорода. Всего в результате 9 поездок февраля-марта 1989 года, 3 экспедиций декабря 1996 года и 6 экспедиций января 1997 года было собрано 82 пробы воздуха в 8 местах пещеры (результаты обобщены в таблице № 2). В январе 1998 года пещеру посетила комплексная группа исследователей в составе спелеологов, биологов, микробиологов, геологов, гидрохимиков и минерологов. В настоящее время пещеру изучают Peggy Palmer (гидрохимия и смежные темы искусства), Diana Northup из университета Нью-Мексико (микробная биология), José Palacios-Vargas из Национального автономного университета Мексики (биология беспозвоночных), Harvey DuChene (серная минералогия) и Jakob Parzefall из университета Гамбурга (изучение рыб)[1].
Морфология пещеры[править]
Пещера имеет общую изученную длину в 1 900 метров (без учета нескольких, недоступных для человека расщелин). Общая высота пещеры (точнее разница между самой высокой и самой низкой точкой) составляет порядка 25 метров. Главный тоннель пещеры повторяет направление простирающейся на северо-восток жилы коренной породы (около главного выхода коренная порода меняет свое направление на восток и пещера тоже повторяет этот изгиб). В своем простирании пещера понижается вниз к главному входу по мало-угловому геологическому срыву. В том месте, где круто-наклонный (до степени разлома) геологический разрыв под прямым углом пересекает пещеру, существует локальное расширение размеров подземных проходов. Помимо главного входа пещера освещённого дома соединена с поверхностью 24 или 25 (по разным источникам) вертикальными колодцами провально-карстового происхождения (попадающий через которые в пещеру солнечный свет и дал ей название «пещера освещённого дома»)[4]. В этих колодцах встречаются такие характерные для карстового ландшафта элементы, как природные перемычки-мосты, карровые стенки и каменные глыбы на дне. Дно пещеры представлено труднорастворимой коренной породой с разрушением преимущественно эрозией от текущего по нему подземного потока и в отличии от стен и потолка имеет малое количество отложений от химического выщелачивания известняка. Образовавший пещеру поток течет на уровне 80 метров от поверхности мирового океана и 40 метров от местного гидрологического уровня (рек Amatán и Oxocotlan)[1].
Натечные образования[править]
Из натечных образований наибольшее распространение в пещере получили скопления кристаллов селенита, которые сформировались в субаэральной (воздушной) среде на коренной породе стенок над пещерными потоками. Россыпи и отдельные экземпляры кристаллов селенита обычно располагаются на нижней части свисающих с потолка каменных наростах и вогнутых вниз сторонах уступов. Кристаллы селенита имеют длину 2-4 сантиметра и обычно сопутствуют (попадаются вместе) с гроздям мелкокристаллической серы и микробными вуалями снотитов (англ. snottites). На западной стороне Sala Grande обнаружено небольшое скопление boxwork. Пол пещеры покрыт пастообразным налетом из микрокристаллического гипса с уровнем кислотности pH 1,0-3,0. Стены пещеры покрыты налетом из белого moonmilk («пещерное молоко») и слизи черного, коричневого, оранжевого, зеленого и красного цвета[1].
Традиционные кальцитовые образования мало распространены в пещере освещенного дома. В местах взаимодействия сернистой пещерной воды и попадающей через провальные колодцы поверхностной воды возникли травертиновые отложения в Snot Heaven и Midway Springs. Кальцитовые отложения также встречаются около Casa de los Murciélagos, в северо-восточной оконечности Zoo и у входа в The Other Buzzing Passage. В прилегающей к главному входу основному тоннелю пещеры обнаружено несколько сильно поврежденных коррозией сталактитов и известняковых вуалей. В близко расположенных к выходам на поверхность частям пещеры с повышенным содержанием кислорода в атмосфере обнаружены окаменелые ископаемые сталактиты и сталагмиты[1].
Водоёмы[править]
Из пола пещеры бьют 20 источников термальной (с температурой в 28 градусов — что на 3 градуса больше обычной температуры других местных водотоков) насыщенной серой воды. Дополнительно из узких, недоступных для изучения трещин вытекает еще 4 ручья. Все указанные источники сливаются в один единый поток, который течет через пещеру к ее выходу и затем впадает в близлежащую реку. В дождливый сезон расход воды в главном потоке составляет 290 литров в секунду (замеры января 1998 года), а в сухой сезон — 270 литров в секунду (замеры апреля 1998 года). Также через вертикальные колодцы в своде в пещеру попадают воды весенних ливней. Согласны измерениям уровень кислотности (pH) в пещерных источниках составляет 6.6-7.3 (±0.1), а главного потока — от 7,2 в верховьях у ключей до 7,4 на выходе из пещеры. В течении главного водотока замечены плывущие белые нити 2-3 сантиметров длиной[1].
Все пещерные воды делятся на 2 категории: 1. имеющие высокое содержание H2S (300—500 миллиграммов на литр), pCO2=0,03-0,1 атмосферы, без признаков O2 и 2. с низким содержанием H2S (менее 0,1 миллиграмма на литр), pCO2=0,02 атмосферы, низким содержанием O2 (до 4,3 миллиграмма на литр). Воды пещеры освещённого дома представляют собой смесь сульфатов, карбонатов и хлоридов[3].
Таблица № 1. Анализ подземного потока пещеры освещённого дома (Gordon и Rosen 1962 год)[1].
Температура (апрель 1946 года) | 28 °C |
Температура (декабрь 1955 года) | 30 °C |
Кислотность (pH) | 7.0 — 7.2 |
хлорид | 1.5 x 10-2 M |
натрий | 2 x 10-5 M |
калий | 3 x 10-4 M |
кальций | 6 x 10-3 M |
фосфат | Не обнаружено |
сульфат | 9 x 10-3 M |
Сероводород | Слабый запах в воде |
Атмосфера[править]
Химический состав пещерной атмосферы нестабилен: нередко случается эпизодическое повышение уровня сероводорода и угарного газа, а также понижение концентрации кислорода в воздухе (до 9,6 % по сравнению с обычными 21 %[4]). Важную роль в регулировании состава воздуха играют вертикальные колодцы в потолке пещеры, через которые наружу уходит сероводород и угарный газ, в внутрь поступает кислород[4]. Вредные газы концентрируются в низких частях пещеры[4]. В воздухе пещеры высока концентрация сероводорода, однако его уровень ниже в районе главного входа и провальных колодцев и наоборот выше в глубине пещеры (достигая максимума в Sala Grande-Bat Room). Данная закономерность вероятна связана с проникновением в пещеру внешнего воздуха, который разбавляет насыщенную сероводородом атмосферу пещеры. Также концентрация сероводорода понижается в самых высоких и сравнительно сухих местах пещеры. Концентрация H2S временами доходит до 210 пропромилле, а SO2 до 35 пропромилле[3]. Человек ощущает присутствие сероводорода в воздухе еще при входе в пещеру в виде сильного запаха тухлых яиц.
Таблица № 2. Анализ проб воздуха пещеры освещённого дома на содержание сероводорода по результатам отобранных в 9 поездках 82 проб воздуха (1989, 1996 и 1997 годы)[1]. SD — статистический разброс данных относительно среднего значения, N — количество взятых проб воздуха на данном участке, Range — концентрация сероводорода в воздухе в пропромилле
Место | Значение | SD | N | Range |
Main Entrance Room | 15.67 | 7.50 | 18 | 6-30 |
Big Room by Cat Box | 19.22 | 5.81 | 9 | 10-27 |
End of Zoo-downstream | 5.67 | 3.65 | 9 | 1-12 |
Sala Grande-Bat Room | 40.00 | 10.72 | 10 | 25-55 |
Sala Grande | 18.22 | 6.11 | 9 | 8-25 |
Fresh Air area | 1.00 | 1.05 | 9 | 0-3 |
Entrance-Skylight | 11.11 | 6.01 | 10 | 3-18 |
Zoo | 9.89 | 4.38 | 9 | 3-16 |
Химические реакции[править]
В пещере освещённого дома идет несколько химических реакций (в упрощенной схеме поступающий из недр планеты сероводород при смешивании с водой превращается в серную кислоту, которая в свою очередь при взаимодействии с известняком преобразует его в гипс[4]). Снизу в кислородную атмосферу пещеры поступает насыщенная сероводородом вода, а сверху через горную породу просачивается дождевая влага. Часть поступающего в пещеру сероводорода растворяется в подземных водотоках до элементарной серы (которая придает потоку цвет от молочно-прозрачного до непрозрачного), а часть выделяется в атмосферу пещеры освещённого дома. При взаимодействии пещерной воды и атмосферного кислорода сероводород соединяется с кислородом, образуя в результате реакции элементарную серу и воду. Эта реакция может иметь как абиотический, так и биологический (микробный) характер[1].
2 H2S + O2 → 2Sº + 2H2O
Другие бактерии из серы и сероводорода создают серную кислоту:
2Sº + 3O2 + 2H2O → 2SO42− + 4H+
H2S + 2O2 → SO42− + 2H+
Серная кислота при растворении в воде распадается на анионы сульфата SO42− и катионы водорода H+.
Содержащийся в известняке карбонат кальция при взаимодействии с серной кислотой распадается и в качестве одного из продуктов данной реакции образуются сульфат-ионы:
CaCO3 + H2SO4 → Ca2+ + H2O + CO2 + SO42-
Карбонат кальция расщепляется при взаимодействии с катионами водорода с высвобождением ионов кальция:
CaCO3 + 2H+ → Ca2+ + H2O + CO2
Ионы кальция при взаимодействии с сульфат-ионами образуют гипс:
Ca2+ + SO42− + 2H2O → CaSO4·2H2O
Еще одной протекающей в пещере реакцией является взаимодействие углекислого газа с водой с образованием угольной кислоты. Углекислый газ поступает из пещерной атмосферы, гипогенных вод, а также от вышеперечисленных реакций.
CO2 + H2O → H2CO3
Конечным результатом всех химических реакций является замещение известняка гипсом по стенам и потолку пещеры. Однако сформировавшийся слой гипса постепенно обваливается на дно пещеры (где разрушается и уносится наружу водой)[4] и химическое взаимодействие серной кислоты идет уже с новыми, более глубокими слоями известняка. Ученые оценивают возраст пещеры в несколько тысяч лет, что делает пещеру освещённого дома сравнительно молодой среди большинства пещер Земли[4]. Исходя из объема поступающего в пещеру сероводорода и активности микробного сообщества, ученые предполагают, что нынешняя морфология (очертания) пещеры является ее временным состоянием и в будущем изменится в результате активного спелеогенеза[1].
Из дна пещеры бьёт более дюжины ключей, в воде которых высока концентрация сероводорода (источником которого по мнению ученых является либо близлежащее месторождение нефти либо вулкан Эль-Чичон). При взаимодействии с растворяющимся в воде кислородом сероводород окисляется до коллоидной серы, придающей водным потокам прозрачный белый цвет. Часть сероводорода выделяется из раствора в воздух пещеры и, взаимодействуя с атмосферным кислородом и водой, окисляется до серной кислоты, которая, в свою очередь, разрушает известняк с образованием гипса и угольной кислоты. Отчасти спелеогенезу способствует деятельность окисляющих серу бактерий. Также при взаимодействии атмосферы пещеры и воды образуется углекислый газ. Газовый состав пещеры нестабилен: заметные флуктуации претерпевает концентрация сероводорода, кислорода и угарного газа.
Обитатели пещеры[править]
Все постоянно обитающие в пещере живые организмы были вынуждены приспособиться к повышенному уровню сероводорода в воздухе[4]. Основу трофической цепи пещеры составляют хемоавтотрофные бактерии, окисляющие сероводород воздуха до серной кислоты, а также бактерии, восстанавливающие серу в ходе обратного процесса. Генетический анализ 19 отобранных случайным образом образцов бактерий показал, что 18 их видов являются родственниками 3 видов Thiobacilli и еще 1 вид близок к Acidimicrobium ferrooxidans[3]. Крайне многочисленные, они образуют подвешенные к стенам и сводам пещеры «бактериальные вуали» (англ. microbial veils), состоящие из похожих на солому трубчатых сталактитов, занавесов (драпировок) и U-образных петель до 50 сантиметров длиной. Эти бактериальные вуали даже получили специальное название снонитов (англ. snottites) и представляют собой колонии микробов (некий вертикальный аналог микробных пленок на поверхности водоемов). Помимо снотитов хемоавтотрофные бактерии образуют формирования иной формы, получившие у ученых названия phlegm balls и biovermiculations[4]. От хемоавтотрофных микробов получают энергию другие микробы и бактерии. На этих микробных скоплениях живут мелкие беспозвоночные: клещи, мошки и черви. Снотиты концентрируются вокруг источников воды, а в сухие годы по наблюдениям января и апреля 1998 года их количество в пещере уменьшается (также в сухие сезоны засыхают и теряют яркую окраску колонии бактерий). В результате жизнедеятельности бактерий в вуалях собираются капли раствора серной и угольной кислоты с довольно низким pH — 0,5—3,0[1].
Стены и пол пещеры вдоль водных потоков покрыты разноцветным налетом из колоний бактерий и грибков, в составе которых встречаются и неорганические материалы. На известняковых стенах пещеры попадаются колонии слизистого, коричневого и пятнистого biovermiculation (стенной аналог снотитов)[1].
Некоторые налеты состоят из микроорганизмов зеленого цвета (приобретенного в результате количественного превосходства сферических бактерий над цианобактериями), которые растут и в темных местах. В пещере также многочисленны микробные налеты белого, красного и черного цвета[1].
В нижних районах подземного потока заметное количество вещества вносится через помёт летучих мышей и органику, поступающую через провалы в своде (однако этот источник питательный веществ выполняет вспомогательную роль в основанной на хемосинтезе пещерной экосистеме[4]). Из макроскопических организмов наибольшего обилия достигают комары-звонцы Tendipes fuvipilus, вероятно, питающиеся бактериями (возможно, на стадии водных личинок). Микробный эколог Kathy Lavoie из State University of New York at Plattsburgh[en] насчитала в пещере 70 мошек на 1 квадратный дюйм[4]. Комары концентрируются на зеленой слизи над потоком. Из других беспозвоночных в пещере многочисленны пауки, жуки, сверчки, клещи, которые предположительно питаются микробами, мошками или друг другом. В пещере обитают Amblypygi[4]. В ручьях обильны Poecilia mexicana — рыбы из отряда карпообразных. Отличительными особенностями обитающих в пещере Poecilia mexicana является повышенный уровень гемоглобина (в связи с низким содержанием кислорода в подземных водотоках) и меньший размер глаз по сравнению с ее поверхностными видами[4]. Согласно желудочному анализу рацион рыб состоит в большей степени из бактериальный нитей и личинок мошек, а в меньшей — из гуано летучий мышей в нижней части подземного потока. Также существуют наблюдения захвата и пожирания рыбами водных полужестокрылых. Рыбы являются вершиной пищевой цепочки в пещере и не имеют естественных врагов, кроме человека. Из других позвоночных в пещере освещённого дома обитают несколько видов летучих мышей (4 вида семейства Phyllostomid из Leaf-nosed bat, Free-tailed bat и 1 вид вампиров). Также имели место случаи обнаружения угрей, черепах (вероятно случайные посещения) и отпечатков ног, предположительно принадлежащие грызуну Tepeizcuinte (Пака из семейства Агутиевых)[1].
По мнению микробиолога Penny Boston экосистема пещеры освещённого дома может служить примерным аналогом гипотетической жизни в пещерах Марса, если она там существует[4].
Источники[править]
- ↑ 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 1,15 1,16 1,17 Hose L. D., Pisarowicz J. A. (1999) Cueva de Villa Luz, Tabasco, Mexico: reconnaissance study of an active sulfur spring cave and ecosystem. Journal of Cave and Karst Studies 61(1): 13-21.
- ↑ Кислая пещера // Наука и жизнь, 1999, № 4.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Hose L.D., Palmer A.N., Palmer M.V., Northup D.E., Boston P.J., Duchene H.R. Microbiology and geochemistry in a hydrogen-sulphide-rich karst environment. Journal of Chemical Geology volume 169, issues 3-4, 1 september 2000, pages 399—423.
- ↑ 4,00 4,01 4,02 4,03 4,04 4,05 4,06 4,07 4,08 4,09 4,10 4,11 4,12 4,13 4,14 4,15 4,16 4,17 4,18 4,19 Eliot J. L. Deadly Haven. Journal of National Geographic 2001 (5): 70-85
Литература[править]
- Кислая пещера // Наука и жизнь, 1999, № 4.
- Hose L. D., Pisarowicz J. A. (1999) Cueva de Villa Luz, Tabasco, Mexico: reconnaissance study of an active sulfur spring cave and ecosystem. Journal of Cave and Karst Studies 61(1): 13-21.
- Hose L.D., Palmer A.N., Palmer M.V., Northup D.E., Boston P.J., Duchene H.R. Microbiology and geochemistry in a hydrogen-sulphide-rich karst environment. Journal of Chemical Geology volume 169, issues 3-4, 1 september 2000, pages 399—423.
- WATER, GAS, AND PHYLOGENETIC ANALYSES FROM SULFUR SPRINGS IN CUEVA DE VILLA LUZ, TABASCO, MEXICO
- CAVE OF THE SULFUR EATERS
- ELIOT J. L. DEADLY HAVEN
- PETIT C. THE WALLS ARE ALIVE
- HERBERMAN E. CAVE OF GOO!