Američka špilja poznata po snažnim strujanjima zraka i zanimljivim sigama

Wind Cave – prva špilja-nacionalni park u svijetu

h

Stručni članak

23. rujna 2020.

Katarina Pavlek

Geografski odsjek PMF-a
l

UVOD

U početku je park Wind Cave zauzimao malu površinu, no s vremenom se javila potreba zaštite šireg područja zbog velikog utjecaja površinskih procesa na podzemlje, ali i zbog važnosti očuvanja prerijskog ekosustava. Danas park ima ukupnu površinu od 137 km².

Nacionalni park Wind Cave

Wind Cave (Špilja vjetrova) je trenutno sedma najdulja špilja na svijetu, a nalazi se na zapadu američke savezne države Južna Dakota, u planinskoj regiji Black Hills (SAD). Ukupna duljina istraženih kanala iznosi nešto više od 248,2 km (Farrell, 2019; Gulden, 2020). Cijela špilja zauzima površinu od samo 2,6 km², što dovoljno govori o kompleksnosti nepreglednih kanala (sl. 1) koji se prostiru na tri razine i do dubine od 194 m te se još uvijek intenzivno istražuju. Wind Cave je 1903. godine postala prva špilja u svijetu koja je proglašena nacionalnim parkom. U početku je park zauzimao malu površinu, no s vremenom se javila potreba zaštite šireg područja zbog velikog utjecaja površinskih procesa na podzemlje, ali i zbog važnosti očuvanja prerijskog ekosustava. Danas park ima ukupnu površinu od 137 km² te obuhvaća najveće prirodno područje očuvane američke prerije s bogatim biljnim i životinjskim svijetom (NP Wind Cave, n.d.).

Slika 1. Nacrt i geografski smještaj špilje Wind Cave. Izvor Horrocks i Szukalski, 2002.

Vjetar na špiljskom ulazu

Američki Indijanci od davnina poznaju ulaz u Wind Cave te on za njih predstavlja sveto mjesto. Međutim, špilja je službeno otkrivena tek 1881. godine. Tada su Jesse i Tom Bingham pronašli otvor kroz koji su čuli fijukanje zraka. Prema priči, vjetar je toliko jako puhao iz otvora da je odnio Tomov šešir. Nakon nekoliko dana kada se Jesse vratio, vjetar je promijenio smjer te je počeo puhati prema unutrašnjosti špilje. Danas znamo da je snažno kretanje vjetra povezano s razlikom u atmosferskom tlaku između špilje i površine. Kada je tlak zraka viši na površini, zrak ulazi u špilju kako bi povisio tlak i izjednačio ga s onim na površini. Kada je tlak viši unutar špilje, zrak izlazi iz nje na površinu kako bi smanjio tlak unutar špilje. Velika špilja poput Wind Cave s nekoliko malenih ulaza “diše” puno intenzivnije nego li manje špilje s većim otvorima. Također, brze promjene vremena, koje prate i brze promjene tlaka zraka, obilježje su klime Južne Dakote. Vjerojatno se onoga dana kada su braća Birgham otkrila špilju približavala velika oluja, što je popratio brzi pad atmosferskog tlaka (ciklona). Visoki tlak u špilji je brzo potisnuo zrak kroz male otvore, zbog čega je nastao vjetar po kojem je špilja i dobila ime. Protok zraka kroz prirodni otvor špilje također pomaže u određivanju približnog volumena špiljskih prolaza. Prema količini zraka koja izađe iz špilje, može se odrediti volumen same špilje. U skladu s mjerenjima barometarskog protoka, danas se smatra da je istraženo manje od 10% špilje (NP Wind Cave, n.d.). Iako se tom metodom ne može se izmjeriti sama duljina kanala, barometarska mjerenja daju istraživačima ideju o ukupnoj veličini špilje.

Slika 2. Rendžer trakom demonstrira vjetar na ulazu špilje. Izvor: NPS, Lauren Reid

Postanak špilja regije Black Hills

Nastanak špilja regije Black Hillls primjer je kompleksne speleogeneze, jedne od najkopmleksnijih i u svjetskim mjerilima. Postanak špilja vezan je uz denudaciju vapnenačkih naslaga Pahasapa, koje su se nataložile tijekom donjeg karbona u plitkomorskim uvjetima prije otprilike 350 milijuna godina. Istovremeno s taloženjem vapnenca, iz morske vode su se istaložili i slojevi gipsa i anhidrita (kalcijevog sulfata), pogotovo tijekom sušnijih razdoblja. Gips je formirao nepravilne i nestabilne zone između naslaga vapnenaca. Mobilizacija, hidratacija, rekristalizacija, redukcija i otapanje sulfata uzrokovalo je stvaranje pukotina i breče u okolnim vapnenačkim stijenama. U tako nastale nepravilne pukotine utisnuo se i kristalizirao gips. Tijekom vremena, većina sulfata je zamijenjena kalcitom i kvarcom, čime su nastale kalcitne vene okružene izmrvljenom matičnom stijenom bogatom kvarcom. Krajem donjeg karbona more se povuklo, vapnenačke naslage su se našle u kopnenim uvjetima pa je započelo okršavanje. Budući da su sulfatni ioni bili oslobođeni nakon pretvorbe gipsa u kalcit, mogli su formirati sulfatnu ili sulfitnu kiselinu koja je otopila vapnence i oblikovala prve špiljske šupljine (prije otprilike 320 mil. godina; sl. 3). Nakon tog prvog perioda stvaranja špilje, ponovna transgresija mora tijekom gornjeg karbona (prije otprilike 300 mil. godina) je uzrokovala taloženje crvene gline, vapnenaca i pješčenjaka iznad vapnenaca Pahasapa. Navedeni sedimenti su zapunili površinske depresije i većinu špiljskih prolaza nastalih u prethodnom razdoblju. Takva paleo-ispunjenja (paleofills) danas su vidljiva u gornjim razinama špilje (Palmer i Palmer, 1989).

Slika 3. Šupljina u vapnencima ispresjecana brojnim pukotinama duž kojih su se istaložile sige, Skyway Lake. Izvor: NPS.

Tijekom idućih 240 milijuna godina nastavile su se izmjene transgresije i regresije, taloženja i denudacije sedimenata. Razvoj špilje je vjerojatno bio spor do najrecentnije tektonske aktivacije užeg područja tijekom tercijara. Uzdizanjem planinskog masiva Black Hills nastale su nove pukotine u vapnenačkim naslagama, koje su omogućile slobodnije kretanje vode i speleogenezu – stvaranje špilja. Špilja Wind Cave je dakle formirana tijekom tercijara, vjerojatno djelovanjem arteške podzemne vode, iako postoje dokazi i za djelovanje termalne vode (Bakalowitz i dr., 1987). Voda koja je oblikovala špilju nije tekla kroz nju poput rijeke, nego ju je ispunjavala kroz vrlo dug period, što je omogućilo postupno otapanje i proširivanje malih pukotina do velikih kanala, te stvaranje kompleksnog oblika same špilje, koji u tlocrtu podsjeća na labirint. Većina strukture današnje špilje je naslijeđena iz starijih razdoblja, no izgled mreže špiljskih šupljina je blisko povezan sa smjerovima naprezanja tijekom uzdizanja Black Hillsa u kasnoj kredi kada su reaktivirane starije pukotine (Palmer i Palmer, 1989).

Slika 4. Jezero Windy City Lake, površina vodom bogatog vodonosnika. Izvor: NPS.

Podzemna voda – vrijedan resurs Wind Cave

Geolozi vjeruju da je razina vode počela polako opadati prije 40 do 50 milijuna godina. Danas je razina vode temeljnice otprilike 150 metara ispod površine te se nalazi na najdoljnjoj razini špilje nazvanoj Lakes (jezera). No, voda još uvijek djeluje na oblikovanje špilje. Sporo procjeđivanje stvara zanimljive akumulacijske oblike na zidovima i stropovima špilje poput koraljastih siga (cave popcorn), igličastih kristala kalcita ili aragonita (frostwork) i heliktita, koji na pojedinim mjestima rastu u “grmovima” visine dva metra. Špiljske splavi razvijaju se u najdubljima dijelovima špilje na površini kalcitnog jezera. Te tanke lamine kalcita su toliko lagane da slobodno plutaju površinom jezera zahvaljujući površinskoj napetosti. Ukoliko postanu preteške ili dođe do nekog poremećaja tonu na dno jezera ili se lijepe za obale jezeraca. Pronalazak ostataka špiljskih splavi na dnu danas suhih dijelova špilje svjedoči o promjeni razine vode. Sige za čiji je nastanak potrebno više vode, poput stalaktita ili stalagmita, rijetki su u Wind Cave zbog suhe klime i slabo propusnih stijena koje se nalaze iznad špiljskog sustava (NP Wind Cave, n.d.).

Slika 5. Igličasti kristali (frostwork) i koraljaste sige (cave popcorn). Izvor: NPS.

Tajnovite sige

Najupečatljiviji mikromorfološki oblik špilje Wind Cave zasigurno je boxwork (sl. 6). U niti jednoj drugoj poznatoj špilji na svijetu ovaj speleogen nije tako dobro razvijen i u tako velikim količinama. Boxwork je izgrađen od tankih, oštrih ploha kalcita koje se pružaju sa zidova i stropova špilje tvoreći oblik poput pčelinje košnice. Plohe se međusobno presijecaju pod različitim kutevima oblikujući “kutije” na zidovima špilje. Boxwork je najbolje razvijen u dolomitnim naslagama u srednjim i donjim razinama špilje, a njegov postanak je jedan od najvećih misterija ove špilja. Prema geolozima i svjetski poznatim speleolozima A. Palmeru i M. Palmer (1989), većina zidova špilje sadrži otpornije plohe kalcita između kojih su denudacijom uklonjeni dijelovi matične stijene građene od vapnenca i dolomita. Naime, struktura boxworka prati uske pukotine koje su nastale kao posljedica naprezanja tijekom hidratacije i dehidratacije gipsa, kojeg je postepeno zamijenio kalcit. Okolna matična stijena je manje otporna na trošenje, te je vjerojatno većinom uklonjena otapanjem u sulfidnoj ili sulfatnoj kiselini, čime je nastalo puno manjih pora. Te porozne zone su lako denudirane tijekom razvoja špilje, pogotovo korozijom u kontaktu s vodom i vlažnim zrakom u špilji.

Slika 6. Boxwork. Izvor: NPS:

Špiljskom okolišu prijeti turizam

Zbog sve većeg broja posjetitelja, u špilji su sve brojniji okolišni problemi. Čak i uz oprez od izravnog fizičkog kontakta (dodirivanje zidova), čestice vlakna odjeće, kosa ili stanice kože nakupljaju se na špiljskim zidovima i podovima uz staze te mogu postati alohtona hrana koja dopušta rast plijesni i bakterija. Broj takvih čestica koje otpadnu s pojedine osobe je malen, ali kada se pomnoži s približno 100.000 posjetitelja godišnje, rezultat je gust pokrivač ljudskih otpadaka. Zato svake godine dobrovoljci čiste dijelove špilje, čak i najmanju prašinu.  Električna rasvjeta u špilji također uzrokuje probleme: povećava temperaturu zraka i potiče rast zelenih biljaka. Zbog toga park nastoji smanjiti utjecaj osvjetljenja i potrošnju energije tijekom obilaska. Umjetni, naknadno prokopani, ulazi u špilju uzrokovali su promjenu špiljske klime, dopuštajući povećani protok zraka. Najznačajnija posljedica bila je urušavanje na ulazu u špilju zbog povećanog zamrzavanja i odmrzavanja. Kako bi se lakše kontrolirale takve promjene, izgrađeni su zračni blokovi na svim umjetnim ulazima kako bi se špilja vratila u stanje prirodnih uvjeta. Jedan od najozbiljnijih problema nalazi se na površini iznad same špilje. Ceste, parkirališta i objekti mijenjaju smjer i količinu vode koja otječe u podzemlje. Otrovne kemikalije, kao što su ulja i plin koja ispuštaju vozila, procjeđuju se u špilju. Zbog toga je ispod betonskog parkirališta ugrađen sustav za filtriranje te se često se provjerava stanje kanalizacijskih sustava i spremnika za benzin kako bi se osiguralo da nema propuštanja. Naime, zagađivači koji prolaze kroz špilju mogu štetiti životu u špilji, smanjiti rast kristala i utjecati na kvalitetu podzemne vode (NP Wind Cave, n.d.).

Literatura:

Bakalowicz, M. J., Ford, D. C., Miller, T. E., Palmer, A. N., Palmer, M. V. 1987: Thermal genesis of dissolution caves in the Black Hills, South Dakota, Geological Society of America Bulletin 99, 729-738.
Farrell, T. 2019: 150 miles and counting: Wind Cave celebrates significant milestone, National Park Wind Cave, 18 October, https://www.nps.gov/wica/learn/news/10182019pr.htm (23. 9. 2020)
Gulden, B. 2020: World longest caves, http://www.caverbob.com/wlong.htm (23. 9. 2020.)
Horrocks, R. D., Szukalski, B. W. 2002: Using geographic information systems to develop a cave potential map for Wind Cave, South Dakota, Journal of Cave and Karst Studies 64(1), 63-70.
National Park Wind Cave, https://www.nps.gov/wica/index.htm (23. 9. 2020.)
Palmer, A. N., Palmer, M. V. 1989: Geologic history of the Black Hills Caves, South Dakota, National Speleological Society Bulletin 51, 72-99.