Кунгурская Ледяная пещера и радон // Вестник Уральского отделения РАН. Наука. Общество. Человек. – Екатеринбург, 2003. – № 1 (3). – С. 49-54. — Лаборатория геологии техногенных процессов

Кунгурская ледяная пещера является не только природным памятником общероссийского значения, но и единственной пещерой России, специально оборудованной для экскурсий, что вызывает к ней особенный интерес.

Правильно все же говорить — ледовая пещера, но за годы и века утвердилось — ледяная.

Находится она в Пермской области на северо-восточной окраине г. Кунгура, на правом берегу реки Сылвы в Ледяной горе.

Это крупнейшая гипсовая пещера Урала.

В породах, окружающих привходящую часть полости, сформирована зона многолетней, вечной мерзлоты, отчего в самой пещере нет числа незабываемо украшающим ее ледовым натекам и кристаллам. Тщательно разработанный полуторакилометровый маршрут позволяет всласть полюбоваться живописными гротами, озерами с прозрачной водой. Ежегодно здесь бывает до 200 тысяч туристов.

Очевидно, что посещение людьми этого подземного лабиринта началось еще в глубокую старину. Так, на Ледяной горе сохранились вал и ров Ермакова городища, в полукилометре на запад — следы Кунгурского городища, а при археологических раскопках найдены остатки костров, железные и костяные наконечники стрел, обломки посуды и другие предметы Сылвенской культуры IX-XI вв. н. э.

Расположение городищ у пещеры не случайно: природный ледник, вероятно, использовался для хранения мяса и рыбы, а в глубине, где стоит плюсовая температура, можно было не только укрыться от мороза, но и спастись при нападении врага.

Немалое место занимает пещера в народных легендах. Вот, например, рассказ о том, как войско Ермака на пути в Сибирь направилось не по Чусовой, а по Сылве. Когда ошибку обнаружили, возвращаться было поздно: река встала, замерзла. Что же делать?

Атаман Ермак велел «зимовать на Сылве, на горе городище городить, землянки делать. А в горе обнаружили пещеру: такие хоромы сыскались, что любой князь позавидует. Поселился Ермак в пещере с казаками, там и прожили до весны».

Первый план пещеры составил картограф и географ Семен Ремезов в 1703 году. К этому времени она была достаточно известна. У входа вовсю ломали и обжигали гипс. В некоторых гротах стояли кресты, а на каменном постаменте располагалась большая икона Николая Чудотворца.

Автором первых описаний пещеры был В. Н. Татищев («Из оной пещеры завсегда исходит великой ветр, никогда не перестает, и во время летнее скот при оной пещере от оводу всегда собирается»). В «Сказании о звере-мамонте» он объяснил и происхождение провалов над пустотами, созданными водой, приведя в доказательство как раз эту пещеру с ее «великими палатами» длиной около версты.

В 1733 г. пещеру обследовали профессора Петербургской академии наук И. Г. Гмелин и Г.Ф. Миллер в сопровождении художника Бергхана и студентов. Пересчет показаний термометра Делиля, которым они пользовались, в градусы Цельсия говорит о том, что у входа температура составляла минус 5,3°, а, например, в гроте Данте — плюс 1°. Но ими были встречены, описаны, зарисованы и застывшие озера, и ледовая колонна, и кристаллы изморози в виде «цветочных веток».

Кстати, в путевом дневнике И. Г. Гмелин сообщает, что они «довольно часто блудили, ползали на четвереньках», а проводник с сыном, посланные искать дорогу к выходу, во обще потерялись и вернулись в Кунгур только на следующий день.

Булавовидные ледяные сталагмиты

Ледяной дождь

Яркое описание пещеры, относящееся к 1848 г., оставил профессор Казанского университета М. Я. Киттара, который видел, наблюдал, изучал в Бриллиантовом гроте изумительные цепи и шнуры из сросшихся ледовых кристаллов, а в гроте Полярном — точеные вазы-сталагмиты, наполненные чистейшей водой.

Несомненно, раньше — как полтора, так и два с половиной века назад — охлаждение пещеры было значительно более сильным. Игольчатые ледовые кристаллы, растущие при температуре минус 7 и ниже, сохранялись до осени. Не растаивали и сталагмиты в Крестовом гроте.

В 1882 г. город и пещеру посетил выдающийся кристаллограф Е. С. Федоров, который ввел в научный оборот термин «карст». Здесь он раскрыл причины возникновения пещерных форм и накопления холода, дал кристаллографическую характеристику подземных льдов, указал на участие вод Сылвы в растворении пород и расширении ходов. Его поразила эта могучая разрушительная деятельность природы.

Фантазия пещерного холода творит эти ледяные чудеса

Да, основной фактор формирования и развития пещеры — подземные карстовые воды, которые играют главную роль в образовании полостей и провалов земной поверхности над ними, а потому являются тут определяющим объектом исследований, хотя и отнюдь не единственным. В 1942 г. Кунгурской метеорологической станцией было оборудовано 30 постов для режимных наблюдений, и результаты этих наблюдений за температурой, воздушными потоками, влажностью, мерзлотой, ледовыми образованиями и т. д. позволили научным сотрудникам B. C. Лукину и Е.П. Дорофееву выявить основные условия образования льда в пещере, а также причины потепления и нарушения кристаллизации льда, что затем дало возможность осуществить необходимые меры для сохранения ледовых образований.

Большой вклад в изучение пещеры внесен также сотрудниками Пермского университета (руководитель работы профессор Г. А. Максимович) и стационара РАН.

С конца 1992 г. исследования пещеры ведутся по научной программе «Университеты России». Основная цель — разработка и углубление теоретических представлений о закономерностях формирования и эволюции закарстованных массивов на базе обобщения многолетних режимных наблюдений и проведения комплексных исследований с использованием современных методов. По заданию комитета природных ресурсов Пермской области и при финансовой поддержке АО «Пермьтурист» ведется создание банка данных всех этих наблюдений.

Ледяная гора

В последнее время здесь отмечены две важнейшие особенности: одна связана со всеобщим потеплением климата, другая — с выявлением в Кунгурской пещере радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в количествах, превышающих разрешенные нормы для проведения горных работ всеми способами. Остановимся на последней.

Радон — это радиоактивный инертный газ, который образуется в недрах Земли при распаде естественного радия. Он хорошо растворяется в воде, а также мигрирует в земных пустотах, по трещинам и разломам выбирается на поверхность, смешивается с атмосферным воздухом. При распаде атомы его испускают альфа-частицы и облучают среду нахождения, легко проникая в кровь и разносясь по всему организму человека, где, однако, в больших количествах накапливаться не могут, что создает относительно равномерное облучение.

Исследователями было доказано, что шахтеры урановых шахт при больших концентрациях радона в воздухе часто заболевают раком легких. Основной вклад в облучение здесь принадлежит радиоактивным атомам тяжелых металлов ²¹⁸Ро, ²¹⁴Bi, ²¹⁴Pb, образующихся в воздухе при распаде атомов радона. Связанные с аэрозолями воздуха, они при дыхании оседают на стенках бронхов и в альвеолах, где остаются в течение длительного времени.

По сути, при дыхании человек очищает воздух от дочерних продуктов радона, и доза облучения легких за счет ДПР в несколько десятков раз больше, чем от самого радона.

Так возникла проблема определения величины дозы облучения обслуживающего персонала пещеры и осматривающих ее туристов.

Замеры концентрации радона, проведенные методами альфа- и гамма-спектрометрии в июле 1999 года, показали, что объемная активность (ОА) радона в пещере колеблется в пределах от 4777 до 10 000 Бк/м³, составляя в среднем 7450 Бк/м³.

Замеры мощности экспозиционной дозы дали четкое превышение нормы, коррелирующее с повышением концентрации радона в отдельных гротах: показания составили в среднем 18 мкР/час, что примерно в три раза выше фонового значения, а в точках с наиболее сильным током воздуха показания повышались до 70 мкР/час.

Анализ концентрации радона в воде озер пещеры, в почве и породах не выявил повышения естественных радионуклидов, что позволяет считать радон «приходящим».

Массив Ледяной горы сложен сульфатными отложениями иренского горизонта кунгурского яруса нижней перми, представленными гипсами и ангидритами, и полости пещеры сформировались на контакте этих хорошо карстующихся пород и ниже залегающих слабозакарстованных доломитов и известняков филипповского горизонта кунгурского яруса.

Нижнепермские породы расчленены сетью литогенетических, тектонических и экзогенных трещин, где в гипсах и ангидритах ледово-пещерской пачки сформировалась система горизонтальных ходов общей протяженностью исследованной части в 5,7 км. Это обеспечивает хорошую проницаемость воздушным массам (с ними в пещеру проникает радон) и хороший воздухообмен.

Различная скорость воздухообмена в гротах и ходах пещеры обеспечивает различную степень равновесности между радоном и ДПР. Так, отношение активностей Rn:RaA:RaB:RaC соответствовало 1:0,9:0,1:0,1 при четырехкратном воздухообмене и 1:1:0,7:0,5 при коэффициенте воздухообмена 0,7. Эти различия в радиоактивности между радоном и ДПР влияют на величину эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА), которая изменялась в пределах от 1294 Бк/м³ в местах с наибольшей скоростью воздухообмена до 4943 Бк/м³ при наименьшей вентиляции грота. Среднее значение ЭРОА, используемой для определения облучения организма в пещере, на период измерения составило около 3000 Бк/м³, что и стало той величиной, которую мы используем теперь при расчете облучения людей, находящихся в пещере.

При расчете в соответствии с нормами радиационной безопасности (НБР-96) было принято, что величина средней скорости дыхания человека составляет 1,2 м3/час и существенно изменяется в зависимости от нагрузки. Используя коэффициент перехода от экспозиции по ЭРОА радона к эффективной дозе облучения человека (он, по данным стандартов безопасности МАГАТЭ, составляет около 10 нЗв на каждый Бк-час/м³), определили, что за каждый час экскурсии человек получает в среднем 0,36 мЗв.

Согласно НРБ-99, основной дозовый предел для населения составляет 1 мЗв в год, и поэтому продолжительность экскурсии для туристов не должна составлять более 3 часов при условии однократного посещения пещеры в год. Для большинства посетителей эти условия выполняются, вследствие чего экскурсии в пещеру для туристов можно считать безопасными.

Люди, проводящие экскурсии, обслуживающие техническое оборудование или занимающиеся научными исследованиями, должны быть отнесены к персоналу категории Б, то есть к лицам, находящимся по условиям работы в сфере воздействия радионуклидов. Обеспечение безопасных условий для них можно достичь путем сокращения продолжительности пребывания в пещере или изменением режима работы в зависимости от колебаний концентрации радона. Так, проведение экскурсий в период, когда среднее значение ЭРОА не превышает 1000 Бк/м³, позволяет увеличить продолжительность работы экскурсовода с 15 до 45 часов в год. Существуют и другие возможности, предотвращающие переоблучение.

Длительное функционирование пещеры в качестве местной достопримечательности разрешает считать, что ее неоднократно посетили все местные жители. При значительном вредном действии радона и ДПР это было бы замечено, однако отсутствие таких сведений позволяет считать: длительное отсутствие контроля за радиационной обстановкой не привело к слишком негативным результатам.

Воздействие повышенной концентрации радона и ДПР на посетителей пещеры (они находятся в ней сравнительно непродолжительное время и заняты созерцанием) можно сравнить с краткосрочными радоновыми процедурами, целью которых является достижение лечебного эффекта. Так, курс лечения из 15 радоновых ванн продолжительностью 20 минут каждая при концентрации радона 1 300 000 Бк/м³ приводит к получению дозы 0,34 мЗв и выраженному лечебному эффекту.

Для лечения практикуется также часовое вдыхание воздуха при концентрации радона и ДПР в 390 000 Бк/м³, проводящееся в течение 25 суток; доза, получаемая за курс лечения, составляет при этом 1,5 мЗв.

Эксперименты показали, что угнетение биохимических реакций у животных наблюдается при вдыхании радона в концентрации выше 4 500 000 Бк/м3 при интегральных дозах выше 3 Зв.

Концентрации радона в шахтах, где было выявлено повышение частоты рака легких, составляли 170-800 МБк/м³, что в 60-270 тысяч раз превосходит ОА радона в воздухе Кунгурской пещеры.

Все это, однако, не является гарантией отсутствия отрицательных эффектов при длительном воздействии повышенного содержания радона на местное население и требует более тщательного анализа структуры и причин его заболеваемости. Кроме того, следует обратить пристальное внимание на изучение содержания радона в жилых и производственных помещениях г. Кунгура и ближайших населенных пунктов.