Куэва-де-Вилья-Лус[1] (исп.Cueva de Villa Luz — «пещера освещённого дома»[2], также известна как исп.Cueva de la Sardina, исп.Cueva de las Sardinas, исп.Cueva del Azufre) — пещера, расположенная в двух километрах к югу от города Тапихулапа (муниципалитет Такотальпа в штате Табаско, южная Мексика)[3]. 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 массива микрокристаллического известняканижнемелового периода. Наряду с пещерой Лечугилья в США и пещерой Мовиле в Румынии), Куэва-де-Вилья-Лус является одной из трёх пещер в мире, которые образовались в результате воздействия серной кислоты на горные породы[2]. Происхождение поступающего в пещеру сероводорода окончательно не выяснено, но существует два его возможных источника: нефтяной бассейн Вилья в примерно 65 километрах к северо-западу (по другим источникам, в 50 километрах) или проходящий в десяти километрах от пещеры андезитовый поток третичного периода (который породил извергающийся с 1982 года вулкан Эль-Чичон в 50 километрах к западу от пещеры)[3]. Некоторые специалисты на основе содержания изотопа серы34S в атмосферном сероводороде и химического анализа подземных вод склоняются к версии нефтяного происхождения сероводорода в пещере[4].
Пещера расположена в холмистой зоне тропического климата с пышной растительностью и обильными осадками (550 сантиметров в год). Вмещающий пещеру массив известняка находится в простирающейся на северо-запад геологической антиклинали с центральным возвышением к югу от Куэва-де-Вилья-Лус 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 и приуроченных к северо-северо-западной (пониженно-вогнутой) границе указанной антиклинали. При этом в трёх поверхностных и двух подземных источниках (в пещере The Other Buzzing Passage) зафиксированы пузырьки газа (предположительно, диоксид углерода CO2). Учёные предполагают, что вода других источников тоже имела в своём составе газ, но утратила его до выхода на поверхность[3].
Пещера является единственной в своем массиве известняка, однако рядом с ней расположено ещё несколько пещер в известняковых породах. Бьющие из-под земли ключи питают подземные водоемы пещеры Эль Асуфре. 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 Куэва-де-Вилья-Лус. В семи километрах к востоку от Эль Асуфре находится популярная среди туристов пещера Грутас-де-Кокона, появившаяся в результате размывания известняка гипогенными потоками (в настоящее время вода в пещеру не поступает). В километре к востоку от Куэва-де-Вилья-Лус находится аналогичная древняя гипогенная пещера Грутас-де-Куэста-Чика[3].
Изучение
Сама пещера представляет собой научный интерес как сравнительно легкодоступный для изучения пример развитой хемоавтотрофной экосистемы и спелеогенеза на основе соединений серы, а также как место проведения религиозных ритуалов коренными жителями Мексики в древности. По сравнению с румынской пещерой Мовиле изучение этой пещеры не требует погружения в воду в водолазном снаряжении. Но изучение пещеры затруднено опасными для здоровья людей газами (сероводородом, угарным газом, углекислым газом, сернистым газом[5]) которыми насыщена атмосфера Куэва-де-Вилья-Лус. Поэтому требуется применения химических анализаторов для определения уровня сероводорода в воздухе и зачастую работа в пещере возможна 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 Джим Писарович и Уоррен Нидертон, 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 годов — точная карта пещеры. Также во время экспедиции 1996—1997 года были собраны образцы отложений со стен, пола, потолка и сталактитов для биологического анализа, что позволило глубже изучить колонии бактерий в среде с низких уровнем pH.
В 1989 году индикаторной трубкой насоса Китагава (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 Пегги Палмер (гидрохимия и смежные области науки), Диана Нортуп из университета Нью-Мексико (микробная биология), Хосе Паласиос-Варгас из Национального автономного университета Мексики (биология беспозвоночных), Харвей ДуЧене (серная минералогия) и Джекоб Парзефал из университета Гамбурга (изучение рыб)[3].
Морфология пещеры
Пещера имеет общую изученную длину в 1900 метров, амплитуда составляет порядка 25 метров. Главный тоннель пещеры повторяет направление простирающейся на северо-восток жилы коренной породы (около главного выхода коренная порода меняет своё направление на восток и пещера тоже повторяет этот изгиб). В своём 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, Куэва-де-Вилья-Лус соединена с поверхностью 24 или 25 (по разным источникам) вертикальными колодцами провально-карстового происхождения (попадающий через которые в пещеру солнечный свет дал ей название «Пещера освещённого дома»)[5]. 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 отличие от стен и потолка имеет малое количество отложений от химического выщелачивания известняка. Образовавший пещеру поток течёт на уровне 80 метров от поверхности мирового океана и 40 метров от местного гидрологического уровня (рек Аматан и Оксокотлан)[3].
Натёчные образования
Из натёчных 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 попадаются вместе с гроздями мелкокристаллической серы и микробными вуалями снотитов (англ.snottites). На западной стороне Сала Гранде обнаружено небольшое скопление boxwork (ячеистых структур на стенах). Пол пещеры покрыт пастообразным налетом из микрокристаллического гипса с уровнем кислотности pH 1,0—3,0. Стены пещеры покрыты налётом из белого «пещерного молока» и слизи чёрного, коричневого, оранжевого, зелёного и красного цвета[3].
Традиционные кальцитовые образования мало распространены в Куэва-де-Вилья-Лус. В местах взаимодействия сернистой пещерной воды и попадающей через провальные колодцы поверхностной воды возникли травертиновые отложения в Снот Эавен и Мидвай Спрингс. Кальцитовые отложения также встречаются около Casa de los Murciélagos, в северо-восточной оконечности Соо и у входа в The Other Buzzing Passage. В прилегающей к главному входу основному тоннелю пещеры обнаружено несколько сильно повреждённых коррозией сталактитов и кальцитовых драпировок. В близко расположенных к выходам на поверхность частям пещеры с повышенным содержанием кислорода в атмосфере обнаружены окаменелые ископаемые сталактиты и сталагмиты[3].
Водоёмы
Водоем в пещере
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, непроходимых трещин вытекает ещё четыре ручья. Все указанные источники сливаются в один единый поток, который течёт через пещеру к её 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. Согласно 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 сантиметра длиной[3].
Все пещерные воды делятся на две категории: во-первых, имеющие высокое содержание H2S (300—500 миллиграммов на литр), pCO2=0,03—0,1 атмосферы, без признаков O2, во-вторых, с низким содержанием H2S (менее 0,1 миллиграмма на литр), pCO2=0,02 атмосферы, низким содержанием O2 (до 4,3 миллиграмма на литр). Воды Куэва-де-Вилья-Лус представляют собой смесь сульфатов, карбонатов и хлоридов[4].
Таблица № 1. Анализ подземного потока пещеры (Gordon и Rosen 1962 год)[3].
Температура (апрель 1946 года)
28 °C
Температура (декабрь 1955 года)
30 °C
Кислотность (pH)
7,0—7,2
Хлорид
1,5 × 10-2 M
Натрий
2 × 10-5 M
Калий
3 × 10-4 M
Кальций
6 × 10-3 M
Фосфат
Не обнаружено
Сульфат
9 × 10-3 M
Сероводород
Слабый запах в воде
Атмосфера
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 %[5]). Важную роль в регулировании состава воздуха играют вертикальные колодцы в потолке пещеры, через которые наружу уходит сероводород и угарный газ, а внутрь поступает кислород[5]. Вредные газы концентрируются в низких частях пещеры[5]. 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 Сала Гранде-комната летучих мышей). 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[4]. Человек ощущает присутствие сероводорода в воздухе ещё при входе в пещеру в виде сильного запаха тухлых яиц.
Таблица № 2. Анализ проб воздуха пещеры на содержание сероводорода по результатам отобранных в 9 поездках 82 проб воздуха (1989, 1996 и 1997 годы)[3]. 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
Главная входная комната
15,67
7,50
18
6—30
Большая комната Кэт Бокса
19,22
5,81
9
10—27
Выход нижнего течения Соо
5,67
3,65
9
1—12
Сала Гранде-комната летучих мышей
40,00
10,72
10
25—55
Сала Гранде
18,22
6,11
9
8—25
Область свежего воздуха
1,00
1,05
9
0—3
Входы-световые окна
11,11
6,01
10
3—18
Соо
9,89
4,38
9
3—16
Химические реакции
В пещере 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[5]). 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. 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[3].
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
Ещё одной протекающей в пещере реакцией является взаимодействие карбоната кальция и углекислого газа с водой с образованием гидрокарбоната кальция, которая тоже разрушает известняк. Углекислый газ поступает из пещерной атмосферы, гипогенных вод, а также от вышеперечисленных реакций[3].
CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2
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)[5] и химическое взаимодействие серной кислоты идет уже с новыми, более глубокими слоями известняка. Учёные оценивают возраст пещеры в несколько тысяч лет, что делает Куэва-де-Вилья-Лус сравнительно молодой среди большинства пещер Земли[5]. Исходя из объёма поступающего в пещеру сероводорода и активности микробного сообщества, ученые предполагают, что нынешняя морфология (очертания) пещеры является её временным состоянием и в будущем изменится в результате активного спелеогенеза[3].
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, который вносит свой вклад в разрушение известняка. Газовый состав пещеры нестабилен: заметные флуктуации претерпевает концентрация сероводорода, кислорода и угарного газа.
Использование
Куэва-де-Вилья-Лус была известна и посещалась местным коренным народом Мексики и потомками ольмеков[5] зоки (zoque) из Тапихулапа и её окрестностей на протяжении веков. В сухой сезон они ловили рыбу в пещерном потоке, обставляя это как специальную церемонию под названием Ла Серемония де ла Песка (La Ceremonia de la Pesca). Индейцы поднимались к пещере на лодках по реке Альмандро, откуда к пещере ведет тропа[5].
Хозяйственное использование пещеры как места рыбалки обеспечивало местные племена источником пропитания, когда запасы еды от прежнего урожая заканчивались, а время сбора нового урожая ещё 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 ста 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 её 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[6], привлекая сотни людей[5]. Чтобы уменьшить вредное воздействие сероводорода, местные племена не проникают в глубину пещеры и стараются побыстрее покинуть Куэва-де-Вилья-Лус[5]. Рыбалка проводится при помощи свечей, а саму рыбу сушат, чтобы избавиться от привкуса серы[5].
Spilde, Michael N. Water, gas, and phylogenetic analyses from sulfur springs in cueva de Villa Luz, Tabaco, Mexico (неопр.). Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года. nstitute of Meteoritics, Univ of New Mexico, Northrop Hall, MSC03-2050, Albuquerque, NM 87131, [email protected], FISCHER, Tobias P., Dept of Earth & Planetary Sciences, Univ of New Mexico, Northrop Hall, MSC03-2040, Albuquerque, NM 87131, NORTHUP, Diana E., Dept of Biology, Univ of New Mexico, Centennial Science & Engineering Library, MSC05 3020, Albuquerque, NM 87131, TURIN, H.J., Isotope and Nuclear Chemistry Group, Los Alamos National Lab, Mailstop J514, Los Alamos, NM 87545, and BOSTON, Penelope J., Dept of Earth & Environmental Science, New Mexico Institute of Mining & Technology, Socorro, NM 87801.
