Введение
Разнообразиекарстующихся горных пород, условий их залегания, рельефа, климата, зон движенияи состава вод, др. факторы приводят к образованию различных поверхностных иподземных карстовых форм. Непосредственным изучением подземного карста (пещер)занимается наука спелеология, которая возникла на пересечении интересовкарстоведения и пещероведения. Через карстоведение она связана с основными«обеспечивающими» геологическими (геология, гидрогеология, геоморфология) игеографическими (гидрология, климатология, почвоведение, ландшафтоведение,палеогеография) науками; через пещероведение — с ботаникой, зоологией,археологией, антропологией, медициной, спортом, хозяйством. Так как пещеры ишахты (вертикальные полости-колодцы, пропасти…) встречаются не только вкарстующихся (растворимых), но и в других породах – гранитах, базальтах,ледниковых льдах, – то пещероведение контактирует с вулканологией, гляциологиейи пр. В сферу интересов спелеологии включены в ХХ веке искусственные полости(горные выработки, пещерные монастыри, подземные ходы…). Учитываются такжеразличия в процессах образования полостей, их формах и количестве (Приложение 1).Подземной полостью принято считать отрицательную форму рельефа, у которойдлина (L,м) или глубина (H, м) больше высоты (h, м) у входа (рис. 1).
/>
Рис. 1.Принципы отделения подземных карстовых форм от поверхностных (L>b; L>h). А – план, Б – разрез
В основуклассификации подземных полостей положен генетический подход: группы полостейвыделены по антропогенному признаку (искусственные и естественные), классы – поисточнику энергии полостеобразующих процессов (эндо, экзо, антропогенному),подклассы – по характеру перемещения вещества. Типы – по основному процессуполостеобразования. Классификация включает только моногенетические(образованные одним ведущим процессом) полости. В природе имеются иполигенетические, которые относятся к смешенным типам(коррозионно-гравитационный, экскавационно-коррозионный,суффозионно-коррозионно-абразионный и др.). Карстовые полости – всего лишь одиниз 11 подклассов естественных полостей, но они всё же выделяются: к нимотносятся все самые крупные полости мира, наиболее красивые по натечномуубранству залы, самые богатые археологическими и прочими находками пещеры.… Поколичеству их на 1–4 порядка больше, чем остальных. Так что карстовые полостизаслуживают отдельного рассмотрения.
1. Карстовыеявления
Карст-процессрастворения (выщелачивания) трещиноватых растворимых горных пород подземными иповерхностными водами, в результате которого образуются отрицательные формырельефа на земной поверхности и различные полости, каналы и пещеры на глубине.Впервые такие процессы были детально изучены на побережье Адриатического моря, наплато Карст близ Триеста, откуда и получили своё название. Наибольшееразнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районыизвестнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районахразвитию карста способствует открытая поверхность растворимых пород и частыеливни. Покрытый карст отличается от открытого тем, что закарстованные породыперекрыты нерастворимыми или слаборастворимыми породами: формы поверхностноговыщелачивания здесь отсутствуют, процесс протекает на глубине. На контакте сзакарстованными породами происходит перемещение материала покрывающих пород вниже расположенные карстовые полости, в результате чего образуютсяблюдцеобразные и воронкообразные формы.
Существуетдва основных противоположных процесса: с одной стороны, разрушение карстующихсяпород химическим и отчасти механическим воздействием подземных и поверхностныхвнерусловых вод, дающее разнообразные карстовые формы; с другой стороны,отложение продуктов разрушения. Связующим звеном между ними является переносрастворённых и влекомых карстовыми водами веществ. В результате разрушительнойдеятельности – коррозии и карстовой эрозии – образуются скульптурные формыкарста разных размеров (Приложение 2). Карстовые формы образуются в результатесложного взаимодействия многих геодинамических процессов, среди которыхрастворение (коррозия) является ведущим. Другие карстообразующие процессы –эрозия, обрушение, выветривание. В нерастворимых породах, покрывающихзакарстованные толщи или прилегающих к ним, развиваются также просадки,обрушение, оползни, суффозия, эрозия и др. процессы (Приложение 3).Аккумулятивные образования в карстовых поверхностных и подземных формах можноразделить на две группы. К первой относятся продукты, образованные из самихкарстующихся пород в результате их химического или механического разрушения –автохтонные образования. Вторую группу образуют аллохтонные продукты –заполнения карстовых понижений и полостей за счёт поступления аллювиальных,делювиальных, органогенных, антропогенных, гидротермальных и другихобразований, а также льда. Особую группу представляют карстовая брекчия, песоки мука, образующиеся в результате разрушения карстующихся пород в течениедлительного геологического времени. Эти автохтонные карстовые отложениявозникают в различных зонах циркуляции как химическим путём (за счётрастворения), так и механическим – при обрушении (карстовая брекчия). Карстоваямука и песок возникли, главным образом, в зонах горизонтальной и глубиннойциркуляции, а карстовая брекчия в первой из них и в зоне вертикальнойнисходящей циркуляции.
К поверхностнымкарстовым формам относятся: карры (шрамы), карстовые желоба и рвы (болееглубокие, с крутыми бортами), богазы, карстовые воронки, блюдца и западины(нечётко выраженные мелкие воронки), котловины (на дне которых могутразвиваться воронки), суходолы, полья – наиболее крупные карстовые формы(тектонические; возникшие путём подземного механического выноса нерастворимойпороды, залегающей среди карстующихся известняков или на контакте с ними;возникшие за счёт слияния группы воронок и котловин при их росте вгоризонтальном направлении; провальные.), карстовые останцы (характерны длятропического карста). Переходными от поверхностных форм к пещерам типа гротовявляются навесы и ниши; естественные мосты и арки возникают чаще всего приобрушении потолка пещерных тоннелей, ниш.
К подземнымкарстовым формам относят колодцы и шахты, пропасти, пещеры.
Карстовыеколодцы и шахты – это вертикальные или крутонаклонные полости; к шахтам относятполости глубже 20 м, достигающие нескольких десятков и сотен метров. Полостиколодцев и шахт могут быть провальными (гравитационными);гравитационно-коррозионными, образованными путём выщелачивания водойкарстующихся пород по трещинам и частичных обрушений; нивально-коррозионными,возникшими вследствие коррозирующего действия (по трещинам) талых снеговых вод;коррозионно-эрозионными, которые образованы устремляющимися потокам,производящими размыв, подготавливаемый растворением по спайкам зёрен горнойпороды; образованные подобным же действием восходящих по трещинам артезианскихвод.
Карстовыепропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными инаклонными пещерными ходами. К ним относятся глубочайшие карстовые полостимира, достигающие глубины более 1000 м. Первая шахта, с входным отверстиемна поверхности, может быть коррозионно-эрозионной (чаще всего), либонивально-коррозионной, гравитационно-коррозионной, провальной. Для глубинныхчастей пропастей нивально-коррозионные шахтные стволы не типичны, более обычныкоррозионно-эрозионные шахты, но встречаются гравитационно-коррозионные ипровальные.
Большинствокарстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместномдействии растворения и размыва горной породы (размыва, подготавливаемогорастворением по спайкам зёрен). Значительна бывает и роль обрушений породы,особенно на зрелых стадиях разработки пещерных полостей. Некоторые пещерывозникли под действием термальных и минеральных вод. Пещерные полости такназываемого «рудного карста» развились под действием на известняк сернокислыхрастворов, образовавшихся пи окислении пирита и других сульфидов. Встречаютсяпещеры, представляющие собой в основе сильно раскрытые тектонические трещины,но моделированные процессами выщелачивания (подземные карры и пр.) и осажденияпо стенам трещин натечно-капельных образований.
Когдакарстовый массив пересекает крупная река, образуется несколькогидродинамических зон (рис. 2). Вода, стекающая по продуктам выветриваниякарстующихся пород, образует зону поверхностного движения (І), или зонуаэрации, где осуществляется главным образом нисходящее движениеинфильтрационных и инфлюационных (лат. «инфлюацио» – втекание) вод, с которымисвязано формирование поверхностных карстовых форм. Многочисленные трещины ивертикальные карстовые полости отводят воду вглубь карстового массива, гдевыделяются несколько зон движения карстовых вод. При высоком стоянии их уровняпроисходит горизонтальное движение воды, при низком – вертикальное, всоответствии, с чем осуществляется направленное выщелачивание карстующихсяпород. Вначале вода движется вниз примерно по вертикали. Это зона вертикальногонисходящего движения карстовых вод (ІІ), её мощность колеблется от 30–100 мна равнине до 100–200 – 2000 м в горах. Ниже, на уровне днищ речных долин,вертикальное нисходящее движение сменяется почти горизонтальным. Это зонагоризонтального движения карстовых вод, для которой характерна постояннаяобводнённость и наличие слабого уклона водного зеркала к реке (ІV). Послевесеннего снеготаяния и сильных ливней уровень воды здесь может повышаться на 5–100,в горных районах на 100–200 м. Поэтому выделяется промежуточная зона, лишьпериодически насыщенная водой, где в разные сезоны происходит вертикальное илигоризонтальное движение карстовых вод. Для всех этих трёх зон характеренсвободный контакт воды с воздухом, содержащим до 0, 05–0, 5% углекислоты,поступающей с поверхности, за счёт биохимических процессов, происходящих впочвенном слое, а также формирующейся под землёй при окислении органическихвеществ и различных минералов (преимущественно пирита). С последними двумязонами связаны горизонтальные каналы пещер и нисходящие карстовые источники,располагающиеся либо образующиеся несколько этажей, на равнинах частосоответствующих уровням речных террас. Ниже выделяют зону сифонного движения,где вода движется по полностью заполненным водой каналам различной ширины (V).Особенно велики эти каналы в приречной зоне, что даёт основание выделятьподзону поддолинной циркуляции (Vа). Ниже располагается зона глубинногодвижения (VІ). Скорость воды здесь невелика (менее 100 м/сут), и онанаходится под напором. С зоной сифонного движения связаны восходящие карстовыеисточники, часто имеющие огромный расход.
/>
Рис. 2.Гидродинамические зоны в карстовом массиве
Привосходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщи складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей(горизонтальные или почти горизонтальные), заложение которых не связано с соответствующимнаслоением горных пород. Палеозоологические и археологические данныесвидетельствуют о более древнем возрасте верхних этажей в сравнении с нижними,указывая на некоторую аналогию с развитием террасовых уровней речных долин.[2.] Каждый уровень соответствует длительному эрозионно-аккумулятивному циклуразвития речной долины. С такими террасами, расположенными на разных высотахкоррелируются (лат. «корреляцио» – соотношение) карстовые пещеры. Зная возрасттеррас, можно приближённо оценить время формирования пещер. При оценке степенизакарстованности массива важно знать историю геологического развития района.Известны несколько возрастных генераций карста, соответствующих длительнымэтапам континентального развития, в течение которых происходило активноеэрозионное расчленение, формирование речных долин и связанных с ними подземныхвод и карстовых процессов. Яркий пример – доюрский карст Москвы и Подмосковья,где закарстованные каменноугольные известняки покрыты юрскими отложениями.Интенсивный карст протекал в течение двух предшествующих периодов (пермского итриасового) до трансгрессии юрского моря. Гидрографическая сеть кайнозойскоговремени местами вскрывает каменноугольные закарстованные известняки, чтовызывает оживление карстовых процессов, продолжающихся и поныне. [4.] В речныхдолинах, формирующихся за счёт глубинной и боковой эрозии, а также ряда другихпроцессов (делювиальных, оползневых, карстовых и т.д.), в периоды замедленияили почти полного отсутствия на данном участке вертикальных движений боковаяэрозия резко преобладает над вертикальной и происходит формированиеаккумулятивного комплекса цокольных речных террас. Таким образом, паузы ввертикальных движениях в карстовых районах сопровождаются в магистральныхречных долинах образованием цокольных речных террас и горизонтальных пещер. Этопозволяет синхронизировать данные эрозионные и карстовые образования.
Возрастчетвертичных отложений аккумулятивного комплекса речных террас устанавливаетсяпо палеонтологическим и археологическим данным. О возрасте горизонтальныхкарстовых пещер судят по тем же данным, а иногда привлекают полугодовые кольцасталактитов и сталагмитов. Хотя устья карстовых пещер и несколько уничтожаютсябоковой эрозией и смывом, однако пещеры, как находящиеся в глубине массивакарстующихся пород, часто лучше сохраняются, чем аккумулятивные образованияречных террас. Последние, особенно в горных районах, уничтожаются либо за счётбоковой эрозии, либо смывом. В результате от террасы сохраняется только еёцоколь. Эти эрозионные (скульптурные) террасы уже не дают возможности применитьпалеонтологический и археологический методы. Поэтому горизонтальные карстовыепещеры приобретают ещё большее значение, т. к. путём корреляции их сречными террасами можно установить возраст последних. Подобным же образом врайоне морских побережий сопоставляются горизонтальные карстовые пещеры иморские террасы.
В зависимостиот местных условий – мощности карстующегося массива, однородности карстующихсяпород, наличия или отсутствия некарстующихся пластов, движений земной коры,расчленённости массива транзитными магистральными реками, элементов залеганиякарстующихся пород, геоморфологических, климатических и ряда других –наблюдается различное распределение гидродинамических зон карстовых вод.
Карстовыеводы, образующие горизонтальные каналы, примерно перпендикулярные реке, могутформироваться до 30–35 м ниже дна реки. При поднятии района поймапревратится в новую террасу, а канал подруслового, параллельного реке, потока исопряжённые с ним горизонтальные каналы, перпендикулярные реке, в зависимостиот глубины вертикального врезания реки будут вскрыты или не вскрыты рекою,меандрирующей на новом, более низком, уровне. В случае вскрытия горизонтальныеканалы превратятся вначале в пещеры с источниками, а затем в сухие пещеры. В товремя, когда по пещере течёт источник, в ней образуется однообразный уклон креке, который мог отсутствовать, когда канал входил в зону сифонной циркуляции.Иногда широкая и высокая арка входа в пещеру является не только результатомобрушения свода и принятия наиболее устойчивой формы, но реликтом былой зонысифонной циркуляции; необходимо, конечно, учитывать и роль последующихколебательных движений, изменяющих наклон земной коры в районе. Если взять какнаиболее устойчивую категорию не средний уровень поверхности аккумулятивногокомплекса цокольной террасы, а её цоколь, то при наличии горизонтальныхпещерных каналов, образовавшихся в зоне сифонной циркуляции, данной террасе,будут соответствовать пещеры, расположенные не на одинаковом уровне, а на 20–35 мниже. Задержка в углублении пещерных каналов по сравнению с дренирующей рекой,при наличии хорошо разработанной зоны поглощения, может привести к тому, чтоводоносными будут пещерные каналы, находящиеся на высоте 20–50–100 м надуровнем воды в реке. В этом случае пещера станет сухой и может быть заселенатолько тогда, когда река опустится на несколько ярусов.
1.1Формирование карстовых пещер
Итак, при формированиикарстовых полостей происходит взаимное наложение коррозионного, эрозионного игравитационного процессов в пространстве (в пределах разных гидродинамическихзон) и во времени (на разных стадиях развития карста и в различные сезоны). Поположению в рельефе, морфологии, характеру заполнителя, химическому составуподземных вод для каждой полости можно выделить основной (формирующий) исопутствующий (моделирующий) геодинамические процессы. Исходя из этого,выделяют коррозионно-гравитационные, нивально-коррозионные,коррозионно-эрозионные карстовые полости.
Ведущимфактором образования коррозионно-гравитационных полостей являетсядвижение блоков горных пород под влиянием силы тяжести, фактором моделирования– нивально-коррозионные и конденсационно-коррозионные процессы. Такие полости располагаютсяв верхней части склонов речных долин и в прибровочной части плато горныхмассивов. Полости, находящиеся в высоких крутых обрывах, образуютсяпреимущественно по трещинам отседания. На начальной стадии раскрытия их ширинав верхней части не превышает 1–2 м (рис. 3, а). В пологопадающихслоистых и неслоистых породах вдоль трещин отседания образуются сравнительнопростые по морфологии колодцы и шахты (рис. 3, б). На разной глубине ониперегорожены глыбовыми навалами. Глубина таких шахт достигает 60–80 м,узкие щели продолжаются значительно глубже. В крутопадающих слоистых породахформируются «коленчатые» шахты. При смещении по напластованию отдельных глыб,«закрывающих» трещину, возникают небольшие пещеры (рис. 3, в). Если восновании отсевшего блока лежат водоупорные породы, формирование трещинотседания способствует возникновению глыбовых оползней. При этом в теле массивавозникают клиновидные сужающиеся кверху трещины и полости.
/>
Рис. 3.Коррозионно-гравитационные полости
Пещеры ишахты в смещённых блоках могут иметь длину 100–150 м и глубину более 100 м.значительно реже тектонические трещины раскрываются в центральной части платогорных массивов. При этом отмечаются линейно-вытянутые или коленчатые полостидлиной 200–300 м и глубиной 60–100 м. их галереи обычно бывают забитыглыбово-обвальными накоплениями. Коррозия талыми и конденсационными водамиприводит к выщелачиванию стенок и к формированию на них желобчатых карров.
К нивально-коррозионнымполостям относятся вертикальные полости, не имеющие на дне значительныхбоковых ходов. Зачастую на подветренных склонах и в карстовых воронкахнакапливаются многометровые сугробы, которые непрерывно подтаивают напротяжении всей зимы и холодная, насыщенная углекислотой вода постепеннорасширяет трещины и поноры, превращая их в колодцы и шахты. Нивально-коррозионныеполости в большинстве случаев (89%) не имеют питающих водосборов ирасполагаются в условиях, исключающих эрозионных проработку. Резко преобладаютнеглубокие (5–20 м), ещё развивающиеся колодцы (67%). Более глубокиеполости (21–80 м) часто имеют на дне сохраняющиеся всё лето скопленияснега, который «бронирует» дно шахты, замедляя её дальнейший рост. Конусовидныеколодцы и шахты имеют округлое входное отверстие большого диаметра (5–30 м).Заложены они обычно в неслоистых или толстослоистых известняках по двум взаимноперпендикулярным системам тектонических трещин. Цилиндрические полостиобразуются за счёт 3–4 сопряжённых систем трещин. Щелевидные полости используютодну основную систему трещин (рис. 4, в). Вследствие неблагоприятныхусловий летнего прогрева на дне таких шахт часто сохраняются снежные конусы до8–14 м высотой. К сложным относятся полости, имеющие небольшое входноеотверстие (0,3–0,8 м) и прихотливую конфигурацию. Располагаются в основномпод крутыми структурными уступами и формируются при стаивании снежных надувов икарнизов. Часто имеют слепые ответвления и купола, использующие трещинынапластования или тектонические. Наиболее благоприятные условия для формированиянивально-коррозионных полостей создаются в среднегорном карсте, где выпадаетдостаточно снега, он активно перераспределяется ветром и периодически (до 6–7раз в год) стаивает. В условиях высокогорного карста снег стаивает тольколетом. При этом резко уменьшается его агрессивность, так как углекислый газ,содержащийся в снегу, улетучивается, не успевая переходить в раствор. Скопленияснега и льда на дне даже неглубоких карстовых колодцев и шахт могут сохранятьсявсё лето. Полости этого класса бедны отложениями.
/>
Рис. 4.Нивально-коррозионные полости
Коррозионно-эрозионные полости тяготеютк современной или древней гидрографической сети. Они располагаются под днищаминыне сухих карстовых долин, иногда представляют собой бывшие полости-поноры илиполости-источники. Изредка располагаются под водоразделами между смежнымидолинами или на шейках меандров. Обычно имеют значительные размеры, это всесамые крупные карстовые системы мира. Наиболее благоприятны для формированиякрупных карстовых водоносных систем случаи, когда их питающие водосборычастично или полностью сформированы в некарстующихся водоупорных породах. Тогдаповерхностный сток поступает под землю путём «втекания» в крупные трещины,быстро расширяя их за счёт механической энергии падающей воды и за счётистирания стенок частицами породы. Такой тип питания называется инфлюационным.Многие карстовые водоносные системы имеют устойчивое снежно-ледниковое питание.В условиях платформенного карста наиболее крупные пещеры формируются причастичном перетоке воды крупных транзитных рек через водоразделы в смежныедолины или при расположении полостей в меандрах крупных рек. Если питающийводосбор сравнительно невелик и сложен карстующимися породами, то формированиепещер происходит за счёт местного, инфильтрационного питания и они обычно имеютнебольшие размеры -0,2–2,0 км. Коррозионно-эрозионным пещерам свойственнытакие признаки проработки текучими водами, как древовидность системы, меандрированиегалерей, уступы в поперечном профиле (образованы подземными водопадами),эрозионные котлы в руслах, желоба и горизонтальные ниши на стенах,водно-аккумулятивные отложения (галька, песок, глина) автохтонного иаллохтонного происхождения – их состав свидетельствует о переносе, сортировке иотложении водными потоками.
/>
Рис. 5.Условия, наиболее благоприятные для развития коррозионно-эрозионных полостей. 1– известняки, 2 – гипс, 3 – некарстующиеся породы, 4 – лёд и снег
В морфологиипещерных полостей большая роль принадлежит трещинноватости карстующейся породыи натечно-капельным образованиям. При разработке пещерных тоннелей повертикальным и крутонаклонным трещинам они отличаются прямолинейностью, резкими«коленчатыми» изгибами. Под разными углами от них отходят ответвления. Нередкотоннели пересекаются, образуя сложные решётчатые лабиринты Эволюциянатечно-капельных образований зависит от уменьшения притоков воды в пещеру припереходе от воклюзовой к водно-галерейной и сухогалерейной стадиям. Сначаларазвиваются наплывы на полу пещеры, гуры, затем сталагмиты с широкимоснованием, сменяющиеся далее палкообразными. И лишь когда приток водыснижается до 0,1–0,01 куб. см/сек, появляются сталактиты. При общем егоснижении образуются эксцентричные сталактиты. При общем снижении обводнённостипещеры в процессе её эволюции на одной и той же стадии наблюдаются в разныхчастях пещерной полости неодинаковые притоки воды, отчего появляются различныеформы натечно-капельных образований. Пещеры-ледники характеризуются ледяныминатечно-капельными и кристаллическими образованиями. Выделяется семь типовкарстовых полостей-ледников в России, различающихся по условиям возникновенияпещерного холода, накопления льда и снега: скопления льда и снега; ледяныекристаллы на потолке пещерных ходов; вечная мерзлота; циркуляция холодноговоздуха; поступление снега; поступление воды. К области вечной мерзлоты, гдепещерный лёд представляет собой особую её форму, относятся последние три типа.
Итак, карстовыеявления представляют собой сложный многообразный процесс, развивающийся лишьпри наличии следующих основных условий: карстующихся горных породах, ихспособности пропускать воду и наличии движущейся воды, способной растворять.При отсутствии одного из них карстообразования не будет. Карст – процессхимического (растворение) и отчасти механического (разрушение струёй)воздействия вод на растворимые проницаемые горные породы. В карстовых шахтахгорных областей воды, насыщенные гидрокарбонатным ионом и кальцием за счётконтакта со стенками в верхних участках, в нижней части уже не способнырастворять. Однако падение воды с огромной высоты производит большуюмеханическую работу, и шахта будет расширяться и углубляться даже тогда, когдарастворение отсутствует. Подобная картина наблюдается также в наклонных игоризонтальных карстовых пещерах с их подземными карами.
В 90-е годыоформилась теория эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно происходятпроцессы растворения и образуются различные полости.
/>
Рис. 6.Развитие трещин в эпикарстовой зоне (А) и модель развития плювиально-коррозионнойполости в ней (Б)
Формируетсясвоеобразная депрессионная воронка в приповерхностной зоне вертикальнойциркуляции карстовых вод, хотя обычно такие воронки формируются только вполностью обводнённых породах при откачке воды из скважин. В самой верхнейчасти эпикарстовой (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием;в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющихнекоторое раскрытие в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичныекрупные тектонические трещины. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м²).На её поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся расширенныхтектонических трещин, образовалось каровое поле. Прошёл ливневый дождь среднейинтенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объёме 20 м³(1000 м² на 0, 02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Сначалаона заполнила 20 трещин (по 1 м³ в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м³),затем сосредоточилась в одной (20 м³). Именно здесь, подповерхностью, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными(лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талыеснеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхностипоявляется готовая карстовая шахта. Полости отличаются друг от друга не толькопо плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзонедробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру),в глыбовой – выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а вблоковой – сохраняется одно из них.
Спелеологическиеисследования карстовых массивов привели к заключению, что существует типкоррозионно-эрозионных полостей, состоящих из трёх звеньев: верхнего (пещеры- ишахты-поноры), среднего (вскрытые пещеры), нижнего (пещеры-источники). Индикаторныеопыты ХХ в. Доказали наличие гидрогеологических систем, дренирующих целыекарстовые массивы, протяжённостью до 75 км. «размах по вертикали» 3 км.
Жителикарстовых районов всего мира давно обратили внимание, что поверхностныеводотоки часто пропадают – «поныряют» под землю. С помощью пешер-поноровпроисходит перевод поверхностного стока в подземный. Нередко они расширяются вгалереи пещер или колодцы. Особенно большие полости формируются, когда подземлю уходят водотоки, формирующиеся на водоупорах. Большинство ихзаканчиваются щелью, затопленной галереей, глыбовым завалом, замывом глины, галечниковойроссыпью, натёком кальцита или льда.
Вскрытыепещеры – галереи, в которые невозможно проникнуть по течению подземных рек. Онистановятся доступными только тогда, когда их сообщают с поверхностью(вскрывают) различные деструктивные процессы: денудация (тогда это узкая щельна любом элементе поверхностного карстового рельефа), коррозия (вход в системуоткрывается на дне или на склоне карстовой воронки либо колодца), эрозия (всистему ведёт узкий ход, промытый текучими водами), гравитация (провал куполазала). Возникающие при этом полости полигенетичны. Используют термин «карстоваясистема», обозначающий проходимую для человека часть гидрогеологическойсистемы.
Большинствокарстовых и некарстовых полостей мира имеет простое строение – главный «ствол»и боковые «ветви» – притоки. Но давно известны и пещеры-лабиринты – сложныесистемы взаимосвязанных ходов, зачастую образовавшиеся за счёт процессоврастворения при смешивании холодных инфильтрационных и термальных подземных водразного химического состава.
Самый простойслучай формирования крупнейших полостей мира – это «речная» система. Подземнаярека, получающая основной объём питания через один вход. Образуетслабонаклонную, меандрирующую полость без боковых притоков. При более крутомпадении пластов образуются колодцы и шахты глубиной от 2–5 до 100–200 м иболее. Нередко они образуют сложную спираль, отдельные изгибы которой в планенакладываются друг на друга. Развитием первого случая, обусловленным в основномособенностями геологического строения района, является появление в средней инижней частях системы расширений (классический, но до конца не ясныйспециалистам по горной механике – зал в пещере Лубанг Насиб Банус: какимобразом он сформировался, и какие силы удерживают гигантский безопорный свод площадью26 футбольных полей, – пока не установлено.). Дальнейшее развитие «речной»системы – принятие ею многочисленных притоков. Как и наземные реки, такиепещеры имеют рисунок, определяемый развитием трещин и характером питания. Еслиразвитие пещеры происходит при поднятии горного массива или при врезанииравнинных рек в водораздельные пространства, возникают многоэтажные системы,отдельные части которых связаны между собой колодцами или сифонными каналами.При этом отмечается наличие на всех этажах следов эрозионной деятельности водыи песчано-глинистых отложений.
Формированиеполостей начинается во фреатической зоне. В зависимости от интенсивностиразвития трещинноватости от точки поглощения поверхностного водотока (пещера-или шахта-понор) до пещеры-источника вода движется по-разному. Согласнобатифреатической теории, полностью обводнённые каналы, в которых вода находитсяпод гидростатическим давлением, закладываются на большой глубине (можетдостигать 300 м). Согласно мелкой фреатической теории, они закладываютсяближе к поверхности, причём в верхних коленах сифонов могут формироватьсявоздушные пузыри. Третья теория предусматривает «смешанное» развитие полостей.Уровенная теория предусматривает формирование галерей на уровне подземных вод.
/>
Рис. 7.Формирование полостей во фреатической (1 – 4) и в вадозной (5 – 6) зонах: А –место поступления воды, Б – места выхода воды. Теории формирования: 1 –батифреатическая, 2 – мелкая фреатическая, 3 – смешанная (фреатическая иуровенная), 4 – уровенная, 5 – инфлюационная и переточная, 6 – инфлюационная.Тонкими линиями показана сеть первичных (спелеоинициирующих) трещин, жирными –вода
Ноформирование пещер возможно и в вадозной зоне. В зависимости от особенностейпитания здесь могут формироваться вертикальные и субгоризонтальные полости.Подземные водотоки при этом подчиняются тем же закономерностям, что иповерхностные: днища внутренних колодцев и шахт стремятся достичь профиляравновесия. Чем протяжённее субгоризонтальные части полости между двумяколодцами, тем глубже может быть второй из них. Часто наблюдается такжепопятное (регрессивное) отступание подземного потока с осушением горизонтальныхи вертикальных частей полости. При этом образуются параллельные стволы полостей– «штаны».
/>
Рис. 8.Схема формирования этажных систем полостей при врезании речной долины (А, Б, В):1,2,3 – разновозрастные элементы поверхностного и подземного рельефа
Присопоставлении всех этих случаев с рисунком реальных карстовых системвыясняется, что последние формируются при взаимном наложении разных схемразвития. Их многообразие зависит от трёх основных групп факторов:геологических, гидрогеологических и палеогеографических.
Геологическиефакторы – это тип карстующейся породы, особенности её строения и залегания. Онаможет быть слоистой или неслоистой, более или менее трещиноватой, залегающейгоризонтально, наклонно или вертикально, разбитой на блоки или смятой вскладки. Каждый из этих случаев и их комбинации определяют рисунок сетиполостей, особенности их морфологии. Некоторые полости следуют рельефуподстилающего водоупора; другие заложены в отдельных пластинах горных пород,надвинутых друг на друга; третьи как бы «обходят» центральную частькуполовидной, брахиантиклинальной структуры.
Гидрогеологическиефакторы определяются особенностями питания подземных вод, которое может бытьпостоянным и периодическим, инфильтрационным и инфлюационным, сосредоточенным(поглощение в одном поноре) или рассредоточенным (поглощение по длине реки) ипр. Внутри массива вода образует свободные и напорные потоки; её движение можетбыть ламинарным или турбулентным, подчиняющимся разным фильтрационным законам;концентрация потоков может происходить у тектонических нарушений (сбросов,сдвигов), выступающих то как барражи (подземные «плотины»), то как коллекторы(проводники воды). По характеру поперечных сечений пещер и шахт, мелким формамна их стенах (купола, фасетки и пр.), а также отложениям на полах (гравий,песок, глина) можно определить условия образования полости.
Палеогеография.Поверхностный и подземный рельеф находятся в непрерывном развитии: меняютсяусловия образования отдельных форм, они накладываются друг на друга,заполняются отложениями и вновь промываются. Типичная ситуация – обнаружениеформ, проработанных некогда во фреатической зоне, в сегодняшней вадозной зоне.С каждым этапом врезания рек или поднятия горного массива связаны свои системыпещерных галерей, которые закладываются во фреатической зоне, но затемпереходят во всё увеличивающуюся в мощности вадозную зону. При размывенекарстующихся отложений на поверхности формируются новые пункты поглощения, идревние фреатические каналы соединяются с ними вадозными колодцами. Следующийэтап врезания ещё больше осложняет картину: в карстовом массиве появляютсяэлементы трёх возрастов, наложенные друг на друга. Кроме отрицательных,деструктивных форм здесь возникают формы положительные, связанные с аккумуляциейразных типов.
Вшарообразных пещерах, образованных термальными карстовыми водами, наблюдаетсяизменение строения вмещающих известняков и особые формы минералов, покрывающихстены (арагонит, барит, исландский шпат). Часто «аномальные» по форме пещерырасположены рядом с крупными кальцитовыми жилами. При изучении жильногокальцита в нём были обнаружены пустоты с жидкостью, в которой плавают пузырькигаза. Для определения температуры образования кристалла шлиф помещают подмикроскоп, подводят к шлифу термопару и нагревают его до тех пор, пока пузырёкгаза не растворится в жидкости. Дополнительные исследования (изучениеконцентрации и состава жидкой фазы, газового состава и пр.) дают информацию обусловиях образования минерала.
В горнорудныхкарстовых районах возможны два механизма образования шаровых структур. Первый –субаквальный, когда полость возникает за счёт восходящего потока термальныхвод. Второй – субаэральный, когда с поверхности горячих вод происходитиспарение, а конденсат, образующийся на стенах трещины, стекает вниз,постепенно преобразуя её в сферу (причём конденсация таких паров происходит свыделением тепла). Теоретическое моделирование показало, что шаровидная полостьдиаметром 1,5 м при температуре конденсата 60–20ºС может образоватьсяза 17–85 тыс. лет.
Формированиеабразионных полостей обусловлено деятельностью морских и озёрных вод. Приформировании коррозионно-абразионных систем некоторые из них являются низшимизвеньями коррозионно-эрозионных полостей (пещерами-источниками), возникшими взоне смешения пресных наземных и солёных морских вод и подтопленными морем. Еслиподтоплены два нижних выхода, то за счёт инжекции (эффект пульверизатора) черезверхний вход подсасывается солёная вода, а из нижнего выходит солоноватаясмесь. Если верхний вход находится над уровнем моря, то при достаточно высокихрасходах карстовых вод солёная вода засасывается через нижний вход, солоноватаявыходит через верхний. Такие системы часто имеют большие размеры.
1.2 Стадииразвития карстовых пещер
Таким образом,пещерные полости могут развиваться в зоне аэрации (зоне вертикальной циркуляциивод), но большие карстовые пещеры зародились в основном при полном заполнениипещерных каналов подземными водами (зоне полного насыщения), и вода в нихциркулировала под гидростатическим давлением. Различают ряд стадий их развития,относящихся к эпохам полного или частичного заполнения водой – напорной эпохе ибезнапорной. Л.И. Маруашвили (1970) выделил семь стадий: три – вбезнапорной эпохе эволюции (трещинная, щелевая, каналовая) и четыре – вбезнапорной (воклюзовая, водно-галерейная, сухо-галерейная, гротокамерная).
В зонахвертикальной нисходящей циркуляции образуются вертикальные пещеры – карстовыеколодцы и шахты с расширениями в виде гротов, в зонах горизонтальной циркуляциии переходных (в складчатых горных сооружениях) – горизонтальные пещеры (врезультате растворяющей, размывающей, выносящей деятельности карстовых вод иподземных обвалов). Наклонные участки пещер обычно образуются по поверхностямнапластования.
Стадии: I, II– трещинная и щелевая, III – каналовая, IV – воклюзовая, V – натечно-осыпная,VI – обвально-цементационная, VII – двухъярусная. Прерывистой линией сострелками показана трещинная стадия, линиями – щелевая.
Вода,находящаяся в зоне горизонтальной циркуляции, перемещаясь по трещинам вкарстующихся породах, расширяет их растворением и размыванием. Первая стадияобразования пещер – трещинная. Постепенно из трещин образуются щели различнойширины – щелевая стадия (рис. 9,І, ІІ). По мере увеличения ширины трещинвсё большее количество карстовых вод устремляется в них.
/>
Рис. 9.Схема развития многоэтажных пещер
Карстующиесягорные породы неоднородны и на разных участках щели растут с разной быстротой.Наибольший рост наблюдается там, где имеются самые чистые разности карстующихсяпород. Наличие нерастворимого остатка в виде частиц глины и песчинок замедляеткарстование.
В болеешироких щелях вода встречает наименьшее сопротивление в виде трения о стенки.Турбулентное движение здесь происходит быстрее, и всё большая масса водыустремляется в них из трещин меньших размеров. Так постепенно некоторые системысообщающихся трещин, направление которых совпадает с направлением подземногостока карстовых вод, развиваются быстрее и стягивают всё большее количествоводы. За счёт турбулентного движения карстовых вод из щелей путём расширениякоррозией и эрозией возникают каналы различного поперечного сечения. Иногдаканалы имеют вид эллипса, но чаще их очертания неправильны. Это – каналоваястадия.
Первоначальнопоток карстовых вод занимает всё поперечное сечение каналов. Постепенно, помере увеличения размеров этих каналов, вначале на отдельных участках, а затем ина большой части протяжения, карстовых вод периодически уже недостаточно, чтобызанять всё поперечное сечение. В верхней части остаётся пространство,заполненное воздухом. Места, где свод пещеры спускается до уровня воды и ниже,называются сифонами. Различают речные и озёрные сифоны. В весенне-осеннеевремя, летом во время дождей канал заполнен напорной водой.
Стекающая поканалу вода попадает либо в подрусловые (поддолинные) пустоты, либо в отложенияв русле реки. Когда район, где находятся подземные карстовые каналы, за счётдвижения земной коры начинает подниматься, река будет всё глубже врезаться всвоё дно. Наступит момент, когда транзитная река вскроет карстовый канал.Текущие по нему воды получат выход на дно реки или по её берегу. Появитсякарстовый источник. Подземная река, которая течёт по каналу, приносит большиемассы воды – м3/с. Такие источники называют воклюзскими илиисполиновыми. Это – воклюзовая стадия.
Подземныйканал не всё время занят пещерной рекой, вытекающей в виде исполиновогоисточника. Если поднятие карстового района продолжается, то выход источникастановится всё выше над уровнем воды в реке, в долине которой он вытекает.Поток карстовых вод размывает дно подземного канала. Всё большее количествоводы начинает уходить по трещинам вглубь, где на более низком уровне трещиныпревращаются в щели, а затем в каналы. Образуется вначале пещера с рекой, затемпещера с подземными озёрами и, наконец, сухая пещера, где только после дождей внекоторых местах со сводов капает вода. Воклюзовая стадия сменяетсянатечно-осыпной. Когда по пещере ещё течёт река, в ней развиваются натечныеобразования – сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, оолиты и др. При переходе изречной в озёрную стадию по берегам водоёмов может образоваться кальцитовоеобрамление, а на выступах дна – кальцитовые кружева. Кроме подземной натечнойаккумуляции, происходит обрушение сводов пещер. Образуются каменные осыпи, апод органными трубами могут возникнуть и земляные. В пещере накапливается иматериал другого происхождения.
Натечно-осыпнаястадия сменяется обвально-цементационной. При неглубоком залегании пещерывозможно её вскрытие путём провалов потолка. Могут возникнуть карстовые окна,тоннели, мосты, арки. При более глубоком залегании происходят только обвалысводов, обломки цементируются кальцитом (или гипсом). Новое поднятие районапещеры и возобновление глубинной эрозии приведёт к появлению ещё одного этажа ит.д. Поднятия чередуются с остановками и опусканиями – вырабатываются этажи ипроисходит синхронная боковая эрозия рек с образованием аккумулятивногокомплекса террас.
В древнихверхних этажах пещер, которые иногда начали формироваться в третичном периоде,при опускании наблюдается заполнение пещер глиной, принесённой с поверхности.Во время последующего поднятия или при увеличении количества воды, поступающейв древние пещерные ходы с поверхности, происходит вынос накопившихся глинистыхи других отложений. Если эти глинистые отложения были покрыты сверхукальцитовым натечным покровом, то при выносе песчано-глинистого материала водойу стен пещер можно наблюдать прикреплённые кальцитовые щиты. Эти натечныеобразования повисли в воздухе, так как подстилавшие их наносы вынесены пещернымпотоком.
1.3Морфология карстовых пещер
Сквозныепещеры имеют два и более входов. Некоторые представляют собой карстовыетоннели. Небольшие, слепо оканчивающиеся пещеры из одного или небольшого числагротов называют мешкообразными. Пещеры, состоящие из коридора с несколькиминебольшими расширениями в виде гротов, называют коридорными. В зависимости оттого, как идёт этот единственный вход, их делят на линейные и прямоугольные.Линейные пещеры представляют собой прямую галерею, в прямоугольных пещерахединственная галерея коленообразная. Она состоит из участков, расположенныхпочти под прямым углом. Линейные пещеры образуются в результате расширениякарстовыми водами одной системы трещин, а прямоугольные – двух почти перпендикулярныхсистем трещин. Перистые пещеры характеризуются соответствующим расположениемходов. Решётчатые пещеры имеют сложную разветвлённую сеть многочисленныхгалерей, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, и в планенапоминают решётку. Как уже было сказано, пещеры могут иметь несколько этажей.
Помимопроходов и гротов, развитых в зоне горизонтальной циркуляции, в пещере имеютсяорганные трубы или камины, образовавшиеся в зоне вертикального нисходящегодвижения карстовых вод. Эти слепые колодцы представляют собой либо продолжениепонор на дне карстовых воронок, либо находятся между этажами пещер.
В пещерах,начиная с каналовой стадии, вначале под давлением, а затем и при егоотсутствии, карстовые воды выщелачивают потолок, пол и стены подземных пустот –образуются подземные карры. Разнообразны подземные формы выщелачивания гипса иангидрита – «люстры» и др. скульптурные формы. Н.К. Тихомиров (1934)выделяет для такого карста несколько форм подземных карр.
В пещерахпреобладают низкие положительные температуры. Температура воздуха пещер зависитот аэротермической ступени. Чем выше находится пещера, тем ниже температура. Наодних и тех же высотах, но разных широтах температура разная (чем севернее, темона ниже). В пещерах наблюдается различная влажность воздуха (сухие и влажныепещеры). В пещерах, куда просачивается вода (особенно при низких температурах),относительная влажность может достигать 100%. Воздух в карстовых массивахнаходится в движении. Одни отверстия расположены ниже, другие выше. За счёт разностиуровней и разницы температур наружного и внутреннего воздуха происходит егодвижение. Летом холодный воздух выходит из нижних отверстий наружу, а черезверхние засасывается тёплый. Зимой наблюдается циркуляция в обратномнаправлении.
В карстовых областях,при наличии магистральных речных артерий, в склонах долин наблюдаются слабонаклонные, почти горизонтальные карстовые пещеры. Они образуются в местахконцентрации карстовых вод, движущихся горизонтально в виде потока кдренирующей артерии. При этом горизонтальные пещеры формируются главным образомтогда, когда вертикальные движения земной коры замедлены или почти отсутствуют.В этом случае горизонтальный поток карстовых вод успевает выработать подземныеполости. Значительную роль играет здесь растворимость пород. Наиболеедлительное время требуется для доломитов и доломитизированных известняков,меньше – для известняков и мела, ещё меньше – для гипсов и ангидритов,наименьшее – для соли. Растворимость кристаллических веществ зависит как от ихприроды, так и от природы растворителя. Изменения термодинамических условий,происходящие в верхней зоне литосферы, оказывают существенное влияние нарастворяющую способность водных растворов; в меньшей степени это влияниераспространяется на те свойства кристаллических веществ, с которыми связана ихрастворимость. Растворимость связана с энергией решётки кристаллов, причём этасвязь имеет общий характер обратной зависимости. Снижение растворимостипроисходит в ряду: NaCl – CaSO4 – CaSO4·2H2O – CaСO3 – доломит. Однако в силу различных причин может происходить егоперестройка, что характерно для соединений с близкими значениями энергиирешёток.
1.4Карстовые колодцы, шахты и пропасти
Вертикальныеколодцеобразные каналы с поперечником более 1 м относят к карстовымколодцам. В поперечном сечении они бывают круглыми, овальными, многоугольными идр. Колодцы – формы, связанные с зоной вертикальной нисходящей циркуляциикарстовых вод, соответствующие одному этажу карста. Для платформ это обычно 20–30 м,поэтому глубина колодцев обычно ограничена 20 метрами. Образуются они путём расширения каналов цилиндрических понор за счёт выщелачиванияизвестняков и гипсов, эрозии и, частично, обрушения подмытых выступов настенках. Колодец может кончаться несколькими трещинами, иногда – расширением(гротом, тогда это уже простейшая вертикальная пещера). Многие колодцы,особенно в гипсах, превращаются в воронки. Существуют коррозионные карстовыеколодцы (образующиеся из понор) и провальные.
Карстовые шахтыобычно образуются в зоне вертикальной нисходящей циркуляции из колодцеобразныхпонор и колодцев. Поднятие страны сопровождается углублением колодцев ивозникновением шахт. В результате многократных поднятий, чередующихся спериодами замедления (или опускания), образуются карстовые шахты и вертикальныепещеры. Этапы замедления поднятия документируются в виде горизонтальных каналовбылых зон горизонтальной циркуляции, отходящих от шахт. В поднимающемсякарстовом массиве, где природная шахта стягивает всё большие массы поглощаемых атмосферныхосадков, новые поднятия естественно сопровождаются её углублением. Чащекарстовые шахты делят на: глубочайшие – более 1000 м, очень глубокие –1000–500, глубокие – 500–250, обычные – 250–50, неглубокие – 50–20 м. Шахтыс очень расширенным устьем, имеющим поперечник в десятки метров, называютсяпропастями. Морфологически шахты разнообразны – с почти вертикальным стволом,со спиральным, двухствольно разветвляющиеся, многоэтажные и др. Имеютсяпереходные формы между карстовыми шахтами и вертикальными пещерами. Обычноразличают два типа карстовых шахт: коррозионные и провальные (Э.А. Мартель,1908). В зависимости от характера движения и состава образовавших их вод,выделяют:
1. Коррозионные,возникшие за счёт вод зоны вертикальной нисходящей циркуляции, – требичскийтип. Требичский грот около Триеста, глубиной 321–329 м – естественнаяшахта и пещера, изучена в 1840–1841 гг. Линдером.
2. Провальные,возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, – бреховскийтип. Встречается редко. Назван по шахте в районе с. Брехово Пермской области.
3. Провальные,возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, – пятигорскийтип. Назван по провалу, глубиной 41 м, на горе Машук в г. Пятигорске.
4. Коррозионные,образованные напорными водами зоны вертикальной восходящей (сифонной)циркуляции, – цериккельский тип. Назван по шахте озера Церик-Кель глубиной 258 м:поднимавшиеся по трещине воды выработали канал, верхняя часть которого являетсярасширенной.
Из более чемтрёх тысяч карстовых шахт и вертикальных пещер, по мнению Э.А. Мартеля,большая часть принадлежит к первому типу. В их образовании основную роль играеткорродирующее действие вод зоны нисходящей вертикальной циркуляции. Выходящеена дневную поверхность отверстие шахты сообщает её с наземной атмосферой. Вшахте происходит подземное выветривание, которое усиливается наличиемуглекислоты. Отделённые трещинами выветривания участки стенок обрушаются подвлиянием силы тяжести. Некоторые шахты начинаются в больших карстовых воронках.
Пропасти ишахты по происхождению Б. Гезе (1953) делит на пять категорий:
1.Тектонические пропасти – образовались в результате расширения водой диаклазов итрещин напластования.
2. Провальныепропасти – возникли над расширенными неглубоко находящимися подземнымигалереями с водой.
3.адсорбирующие пропасти – возникли в результате просачивания вод по трещинам,часто на контакте карстующихся и некарстующихся пород.
4. Пропастивосходящих карстовых вод.
5. Шахты-трубкиэквилибристы, извергающие и поглощающие воду по сезонам.
В районах,которые претерпели опускание, иногда бурением вскрывают карстовые колодцы ишахты, совершенно заполненные песком или другими отложениями (т.е. погребённые).
2. Условияобразования карста
2.1 Карстующиесягорные породы и обстановки их образования
Средикарстующихся горных пород выделяют: карбонатные (известняки, доломитизированныеизвестняки, доломиты, писчий мел, мраморизованные известняки и доломиты,мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты, переходные разности), соли (карналлит,сильвин, сильвинит и др.). Карстообразование протекает по-разному, взависимости от мощности карстующихся пород, площадей, которые они занимают, отуглов наклона этих отложений, химического состава и степени чистоты пород. Этиособенности в значительной степени зависят от тектонической обстановкиобразования карстующихся пород. Различают такие основные обстановкиобразования, распространения и условий залегания карстующихся горных пород: I –геосинклинальная, II – переходная – краевых прогибов, III – платформенная; вособых группах IV – континентальная, и V – морская.
В складчатыхзонах она характеризуется различной дислоцированностью, мощностью и химическимсоставом карстующихся отложений.
Карбонатныеотложения
1. Известняки(и доломиты) в результате длительного непрерывного накопления образуют мощныетолщи на значительных площадях. Большей частью характеризуются, за исключениемотдельных слоёв, сравнительной однородностью химического состава и мощностью всотни метров (до 2 – 3 км). Пример: массивные известняки нижней Перми,верхнего и нижнего карбона западного склона Урала, некоторые мощные толщикарбона Средней Азии и юры Крыма, Кавказа, верхнеэоценовые известняки Крыма.
2. Известняки(и доломиты) в условиях длительного накопления при значительных колебательныхдвижениях земной коры образуют толщу меньшей мощности на значительных площадях.В зависимости от условий осадконакопления толщи характеризуются большей илименьшей мощностью и разнообразием состава и свойств. Пример: карбонатные толщидокембрия, древнего палеозоя, девона и Перми Урала, средней Азии, мощныекарбонатные толщи триаса и верхней юры на Северном Кавказе, третичныеизвестняковые тощи Кавказа и другие.
3. Кольскийтип. Мраморизованные известняки и доломиты, представляющие толщи незначительноймощности, развиты на ограниченных площадях. Образовались в результатеспорадического накопления карбонатных осадков среди других толщ и последующегоскладкообразования и метаморфизации. Пример: известняки и доломиты докембрия наКольском полуострове и в Финляндии, некоторые силурийские и девонскиеизвестняки восточного склона Урала.
4. Известнякирифовых массивов различной мощности, развитые на ограниченных площадях.Отличаются неправильной формой, невыдержанностью пород по простиранию и частоотсутствием слоистости. Обычно эти известняки массивны и плотны, нередкохарактеризуются биоморфной структурой (являются археоциатовыми, водорослевымиили содержат скелетные остатки других организмов). Встречаются и химическичистые разности известняков. Пример: кембрийские известняки Тувы.
Гипсы иангидриты
1. Пластыи пластообразные залежи мощностью до 100 м, реже – до 200 м, иногдаразделённые пропластками некарстующихся пород, залегающие со значительнымиуглами падения. Пример: титонские гипсы Кавказа, триасовые гипсы Альп иАпеннин.
Каменная идругие соли
1. Галитв виде пластов, залежей небольшой мощности. Пример: третичные отложенияКавказа.
II.Переходная обстановка краевых прогибов (с пологим, местами относительно крутымзалеганием пород)
Карбонатныеотложения
5. Известнякии доломиты среди мощных слоистых некарбонатных толщ, образовавшиеся в условияхне особенно длительного осадконакопления. Толщи карбонатных отложенийхарактеризуются не очень значительной мощностью и разнообразием состава исвойств. Пример: пермские карбонатные отложения Предуральского краевого прогибав западной части Уфимско-Соликамской депрессии.
6. Карбонатныерифовые массивы различной мощности, развитые на ограниченных площадях. Пример: пермскиерифы Уфимско-Соликамской и Бельской депрессий.
Гипсы иангидриты
2. Пластыи пластообразные залежи мощностью в 10–20 м и до 100 м с пологимиуглами падения, залегающие как на значительных, так и на небольших площадях.Пример: гипсы и ангидриты пермского возраста Уфимско-Соликамской депрессии.
3. Гипсовыешляпы соляных куполов краевых прогибов, развитые на небольших площадях. Пример:Предтаймырский краевой прогиб.
Каменная идругие соли
2. Пластыи пластообразные залежи солей, развитые как на значительных, так и на небольшихплощадях. Пример: пермские соли Предуральского краевого прогиба.
3. Соляныекуполы краевых прогибов с крутыми углами падения. Пример: Предуральский (южнаячасть), Предтаймырский и Предпамирский краевые прогибы.
IIІ.Платформенная обстановка (с толщами осадочного плаща, образующими пологиеструктуры с почти горизонтальным залеганием)
Карбонатныеотложения
7. Известнякии доломиты в виде мощных толщ, развитых на значительных площадях. Ониобразовались в мало изменяющихся условиях седиментации, но несут следыколебательных движений земной коры в виде перерывов в осадконакоплении ссутурами, ститолитами и древними поверхностями карстования. Карбонатныеотложения этих толщ отличаются мощностями, измеряемыми сотнями метров, исравнительно малой изменчивостью химического состава. Пример: пермские икаменноугольные известняки востока Русской платформы в Прикамье и Башкирии,карбонатная верхнепротерозойская свита Трансвааль мощностью до 1 км вЮжной Африке и др.
8. Известнякии доломиты, образующие толщи сравнительно малой мощности вследствие чередованияих с обломочными породами: отдельные слои, различные по мощности и составу.Пример: силурийские известняки Эстонии и Ленинградской области, ДевонскиеГлавного девонского поля в Воронежской области, известняки карбона Московскойсинеклизы, третичные известняки Причерноморской впадины, Тарханкутского,Ставропольского поднятий и др.
9. Известнякии доломиты рифовых массивов платформ. Характеристика их в общем сходна сотложениями 6-го типа. Пример: нижнепермские рифы Уфимского вала,верхнетретичные среднесарматские рифы юго-запада Русской платформы вПриднестровье.
10. Писчиймел, образует пласты мощностью до 100 м, развит на сравнительно большихплощадях. Пример: Воронежская и Белорусская антеклиза, западный склонУкраинского щита и др.
Гипсы иангидриты
4. Пластыи пластообразные залежи осадочного плаща платформ. Пример: третичные гипсыПодольско-Литовской, девонские Балтийской, пермские Московской и Глазовскойсинеклиз и др.
5. Гипсовыешляпы соляных куполов синеклиз и других отрицательных структур платформ.Пример: Прикаспийская, Украинская и др. синеклизы.
Каменная идругие соли
4. Пластыи пластообразные залежи в покровных отложениях платформ, главным образом всинеклизах и других отрицательных структурах. Пример: залежи солиПрикаспийской, Московской и др. синеклиз.
5. Соляныекуполы покрова платформ, развитые главным образом в синеклизах. Пример:Прикаспийская, Украинская, Вилюйская синеклизы, Убсанурская впадина.
IV.Современные поверхностные образования континентов
В эту группувыделяют современные поверхностные карстующиеся породы, образовавшиеся вчетвертичный период и не всегда прошедшие полностью стадию диагенеза. Какправило, имеют небольшую площадь распространения и весьма малую мощность.
Карбонатныеотложения
11. Известковыетуфы холодных источников. Образуют довольно рыхлые пористые известняки. Площадьих невелика. Максимум десятки квадратных метров. Развиты довольно широко.Пример: Пермская область.
12. Карбонатныетравертины термальных источников. Значительно менее распространены. Обычноразвиты на большей площади. Пример: травертины района Кавказских минеральныхвод, которые местами закарстованы.
13. Современныеконтинентальные карбонатные образования – береговые известняки Австралии.
Гипсы
6. Отложениягипсовых озёр засушливой зоны.
Каменная соль
6. Отложениясоляных озёр засушливой зоны.
Природнаясода
1. Отложениясодовых озёр засушливой зоны.
V.Современная морская обстановка
14.Карбонатные образования современных морей и океанов в виде коралловых рифов.
2.2Водопроницаемость карстующихся пород
Водонепроницаемыегорные породы карстуются только с поверхности. Но большая часть горных пород,попав в зону выветривания, становится трещиноватой. По трещинам в массивпроникают воды и атмосферный воздух, которые взаимодействуют с растворимымипородами, вызывая ряд химических и минералогических процессов. Трещинывозникают на всех этапах жизни карстующейся осадочной толщи. Начиная спревращения осадка в породу при процессах диагенеза, при складкообразовании,выветривании.
Литогенетические(первичные) трещины – возникают преимущественно при диагенезе. Наиболее важныефизические изменения – потеря воды и уплотнение отложений путём уменьшения ихвлажности и пористости. Эти процессы растянуты по времени и распространяются наглубину 150–200 м. На большей глубине осадки полностью переходят в плотныеосадочные породы, которые в дальнейшем крайне медленно отдают воду иуплотняются. Распространение таких трещин наиболее чётко выражено в областях сгоризонтальным или слабонарушенным залеганием пород. Там, где породы смяты вскладки и испытали интенсивные тектонические движения, первичные трещины восадочных породах бывают часто замаскированы более поздней тектоническойтрещиннноватостью. Первичные трещины не пересекают мощных толщ пород, а тесносвязаны с отдельными пластами или небольшими пачками пластов. Обычно трещинызаканчиваются на границах отдельных пластов, образующих слоистость. Поотношению к слоистости трещины располагаются перпендикулярно. Косо,параллельно, имеют неправильную сложную форму. Положение их зависит отлитологического состава пород. Замечено, что перпендикулярные слоистоститрещины характерны для известняков и доломитов, разбивают эти породы напараллелепипедные отдельности. В различных участках одного и того же пластаприсутствуют трещины разных простираний. Относительно правильные отдельностиприурочены к породам однородного состава. Степень заполнения трещин зависит впервую очередь от циркуляции водных растворов. Частота трещин зависит отмощности и состава пород. В гипсах, ангидритах, каменной соли они менееразвиты. При залегании на некоторой глубине от земной поверхности эти породы некарстуются и даже являются водоупором. Когда движения земной коры выводят их надневную поверхность, карст начинает интенсивно развиваться.
Тектоническиетрещиныобразуются под влиянием тектонических сил, проявляющихся в земной коре впроцессе её развития. Возникающие при этом в горных породах деформации почтивсегда сопровождаются трещинами, образующимися на различных площадях. Трещиныобладают выдержанностью (как по простиранию, так и по падению) и развиваются поодному плану в породах различного состава. Они делятся на трещины с разрывомсплошности пород и кливаж. Первые возникают при появлении в породах нормальныхи касательных напряжений, превышающих пределы прочности. При нормальныхнапряжениях перпендикулярно главной оси растяжения происходит отрыв пород иобразуются трещины отрыва. В направлении максимальных касательных напряженийразвиваются трещины скалывания. Они широко распространены на участках,нарушенных взбросами и сдвигами, которые происходят в условиях сжатия земнойкоры или при перемещениях одного её участка относительно другого под действиемпары сил. Однако раньше. Чем напряжения, вызываемые сжатием или сдвигом,сконцентрируются на одной поверхности разрыва и вызовут перемещение вдоль неё,в горных породах произойдёт образование трещин скалывания. Эти трещинысоставляют обычно два ряда, образующие с осью сжатия угол несколько меньше 45°.В отличие от трещин скалывания, кливаж не нарушает сплошности пород. Кливаж –способность горных пород делиться по параллельным или почти параллельнымповерхностям на тонкие пластинки. Это свойство в механическом смысле выражаетсяв образовании поверхности скольжения или срезывания, по которым частицы впроцессе пластической деформации смещаются по отношению друг к другу.
Трещины взоне выветривания многообразны. Выветривание расширяет первичные, тектонические ид.р. трещины, развитые в верхней части земной коры. При выветривании породытеряют свою монолитность. В них появляется сеть трещин. Вызывающая распадениекрупных блоков на отдельные обломки. Распадение пород при выветриваниипроисходит главным образом за счёт раскрытия и расширения ранее существовавшихв них трещин и образования новых – трещин выветривания. Основные причины этого:разрывное действие замерзающей воды; изменение температуры в течение суток(инсоляция); разрывное действие солей и минералов, выкристаллизовывающихся впорах породы; разрывное действие корней растений; биохимические реакции ихимические процессы, связанные с разложением неустойчивых минералов в зоневыветривания и образованием устойчивых минералов. Частота и характер трещинвыветривания зависят от состава, текстуры и структуры пород, от строения иориентировки поверхности обнажения, также действующими агентами выветривания,их интенсивностью. Степень разрушения пород выветриванием с глубинойуменьшается. Обычно трещины распространены на глубину до 10–15 м, а иногдав карбонатных породах они достигают глубины 30–50 м. Замечено, что наюжных склонах сеть трещин выветривания значительно гуще, чем на северных., чтообъясняется большим различием между расширением и сжатием пород, вызванныхсуточными колебаниями пород на южных склонах. При прочих равных условиях, ввертикальных обнажениях породы всегда менее выветрелые, чем в горизонтальных.Трещины могут быть заполнены продуктами выветривания, гипсом, глиной. Часто настенках присутствуют корочки гидроокислов железа.
Трещиныотслаивания – следствие разгрузки внутреннего напряжения пород, вызываемойэрозией и другими факторами денудации. Развиваются параллельно обнажённойповерхности, становятся менее ясными с глубиной. В осадочных породах наориентировку трещин оказывает влияние слоистость.
Трещиныбортового отпора (отседания, откоса) – развиты в бортах долин. Рек, оврагов,врезанных в различные скальные, полускальные породы. Бывают наклонены под углом30–50° в сторону долины, в глубину распространяются до уровня реки. Простираниесовпадает с современными либо древними долинами. Обычно бывают открытыми:захватывая наибольшую часть массива пород у земной поверхности, выходят наповерхность склона. Величина их раскрытия зависит от упругих свойств пород,высоты и крутизны склона. Общая конфигурация трещин параболическая, но частонарушена анизотропностью пород относительно сопротивления разрыву, слоистостью– поэтому они нередко ступенчатые. Происхождение их связывают с нарушениемэрозией равновесия в распределении силы тяжести пород, слагающих склоны, путёмуничтожения бокового сопротивления. Такие трещины благоприятны для развитиякарста.
Трещиныкарстовых провалов образуются над карстовыми подземными полостями и пещерами.Пример: в Кунгурско-Иренском карстовом районе в начальной стадии наблюдаетсясистема трещин, образующих замкнутый полигон. Число сторон многоугольника неменее 6, до 249 приближен к кругу). Эти системы образуются на горизонтальныхили наклонных поверхностях с крутизной не более 45-50°. Длина сторон не более 1–1,5 м.Ширина трещин до 3–5 см, глубина до 1 см. В начальной стадии очерченыслабо, в дальнейшем выделяются и по ним происходит смещение 9 амплитуда обычно1–2 см). Затем идёт катастрофическая стадия – окончательный отрыв и провалучастка с образованием воронки.
Трещиныгидратацииангидрита образуются в перекрывающих их породах. Если это карбонатные породы, врезультате проникновения воды карстуется весь массив.
Антропогенные– трещиныоседания кровли над подземными выработками. От взрывов и др. Возникающие припровалах трещины лишены признаков минерализации, имеют свежий вид. Попростиранию и падению невыдержанны.
В зоневыветривания существует и противоположный процесс – заполнение трещин.Поступающие с поверхности воды вносят в трещины глинистые и другие частицы.Которые могут заполнить расселины. В известняках в трещинах образуется кальцит,в гипсах – гипс (селенит). Это приостанавливает карстовый процесс.
Поры икаверны карстующихся горных пород также могут быть путями передвижения вод.Пористые доломиты карстуются своеобразно – до доломитовой муки и песка. [3.]
Одной иззагадок подземного мира является «холодное кипение», или процесс кавитации (отлатинского «cavitas» – пустота). Вода при обычном давлении (1 атм.) кипит при 100ºС.Но если понизить давление до 0,006–0,043 атм., то кипение возможно в диапазонетемператур 0–30 °С. На поверхности обтекаемых движущейся водой илидвижущихся в ней предметов образуются каверны – пузырьки, наполненные парамиводы. Образуясь в зоне пониженного давления и исчезая (конденсируясь,растворяясь) там, где давление выше, пузырьки меняют характер течения. Вызываябольшие потери энергии, шум и кавитационную эрозию обтекаемых поверхностей.Особенно агрессивны пузырьки в момент исчезновения («схлопывания»), котороепроисходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырёк. Согромной скоростью устремляются в освободившееся пространство. Ударяясь друг одруга. На этих участках давление повышается до 100 тысяч атм. Исчезновениепузырьков напоминает взрыв микроскопической мины. Если обтекаемые поверхностимогут растворяться, то возникает кавитационная коррозия: парциальное давлениеСО2 в пузырьках воздуха, растворённых в воде, выше, чем в атмосфере.
Кавитациянаблюдается на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, турбин, насосов, вводоводных тоннелях электростанций. Опыты показали, что для её возникновениянужны скорости потока более 6 м/с. В пещерах отмечены местные скорости до10 м/с. Так возникает самовозбуждающийся процесс: сперва начинаетсякавитационная коррозия. Затем зарождаются микровпадины и гребешки, усиливающиееё. Возможна кавитация и при падении капель воды. Фотосъёмка со скоростью 1000кадров в секунду показала, что в момент «приземления» капля сначаласплющивается, а затем растекается со скоростью, достаточной для возникновениякавитации. Кавитация может возникать и при отсутствии движения. Если вжидкости, омывающей неподвижные поверхности, вследствие сейсмических или иныхпричин возникают ультразвуковые волны, то во впадинах формируются пузырьки газа,исчезающие на гребнях. Сильная кавитация отмечена также в морских пещерах,находящихся в зоне прибоя, а также – во фреатических полостях при движении водычерез каналы, разделённые перемычками. [1.]
Трещинноватость,сочетающаяся с пористостью, также возможна. Например, писчий мел, где есть ипористость до 40–45%, обладает ничтожной водопроницаемостью по порам. Приотсутствии трещин мел – это водоупор; при появлении их становится водоносным икарстуется. Т.е карст развивается, прежде всего, по трещинам, а поры играютроль резервуара, из которого подземные воды поступают в трещины.
2.3 Движениевод в карстовых массивах
Наличиедвижущейся воды – третье обязательное условие существования карста. Врезультате движения карстовых вод возникает водообмен. Интенсивность егохарактеризуется коэффициентом водообмена, представляющим отношение годовогорасхода всех карстовых источников и вод, разгружающихся непосредственно в реки,озёра или моря (а также другие водоносные горизонты) к общему объёму подземныхвод карстующегося массива или его части. Численная величина коэффициентаводообмена зависит от водопроницаемости пород, условий дренажа и питаниякарстовых вод, климатических условий и других факторов. Наиболее интенсивныйводообмен имеет место при расчленённом рельефе. В карстовых районах, приналичии долин магистральных транзитных рек или на берегах морей, возможны следующиегидродинамические зоны:
В зонеповерхностной циркуляции вода стекает по поверхности карстового массива,образуя конусообразные расширения поноров и коррозионно-эрозионные воронки,расширяя устья карстовых шахт (превращая их в пропасти). В карстовых воронках,где понор заилен, стекающие по поверхности воды образуют постоянные иливременные озёра, питающиеся атмосферными осадками и талыми водами.
Зонавертикальной нисходящей (периодической) циркуляции, или зона аэрации. Здесьпериодически после выпадения осадков или таяния снега происходит движение водывниз по вертикальным трещинам и пустотам. Мощность зоны определяется толщейкарстующихся пород, рельефом и климатом. На слабо расчленённых возвышенныхучастках с равнинным рельефом она составляет 30–100 м и более, а в горныхрайонах достигает 1–2 км. Выделяют подзону подвешенных карстовых вод – научастках развития местных водоупоров (часто прослои кремнистых известняков).Этим обусловлено наличие источников, вытекающих на склонах значительно вышеуровня воды транзитных рек или дна карстовых котловин и польев. Водыподвешенного горизонта могут низвергаться в долины из канала, находящегося навысоте десятки метров; при менее расчленённом рельефе встречаются карстовыепотоки, текущие на разных уровнях.
Зонаколебания уровня карстовых вод (переходная) с чередованием вертикальной игоризонтальной циркуляции за счёт сезонных колебаний уровня карстовых вод. Приподъёме уровня здесь, как и в нижележащей зоне, с которой она сливается,наблюдается горизонтальное движение в направлении дрены. При спаде онавключается в вышележащую зону вертикальной циркуляции. Амплитуда колебанийуровня карстовых вод и мощность зоны различна, от первых метров до 100–109 м.Мощность в в 2–3 м указывает на сильную закарстованность известняков.Амплитуда годовых колебаний уровня карстовых вод достигает 20–25 м и даже30–40 м. Мощность зоны зависит от климатических условий, количестваосадков, рельефа. Она уменьшается по мере увеличения закарстованности и ростаобъёма подземных карстовых пустот. Нижняя граница и мощность переходной зоныизменяются по многолетним периодам. Ниже переходной границы находится ряд зонполного насыщения пустот карстовыми водами.
В зонегоризонтальной циркуляции происходит свободный сток безнапорных вод кмагистральным речным артериям или к окраине карстующегося массива.
Зонасифонной циркуляции с каналами в виде перевёрнутого сифона характеризуется напорнымиводами, которые движутся от водораздельных пространств в подрусловые каналымагистральных рек. В условиях русского и среднеевропейского типов карста водынесут из понор, карстовых воронок и каналов обломочный материал, которыйзаполняет подрусловые пустоты, а из трещин путём растворения пород образуютсяновые полости. В горных районах при отсутствии магистральных речных долин водыканалов сифонной циркуляции разгружаются на окраине карстующегося массива ввиде наземных, а у морей – частично и подводных источников.
В продольномпрофиле магистральной речной артерии подрусловые пустоты образуют зонуподрусловой циркуляции, составляющую одну из важных особенностейциркуляции подземных вод в карстовых районах. Если карстующаяся толща большоймощности распространена значительно ниже дренирующей район транзитной речнойартерии, при несколько замедленной глубинной эрозии и преобладании боковой, топо обоим берегам реки наблюдаются только долины временных потоков (овраги,балки, лога), дно которых усеяно карстовыми воронками с понорами, в которыестекают талые и дождевые воды. Вода, которая стекла в поноры илипрофильтровалась в них, не даёт источников по берегу реки. Источники во многихслучаях появляются только тогда, когда местность испытывает поднятие, и глубиннаяэрозия вскрывает расширенные карстовыми водами трещины и карстовые пустоты, илиза счёт наличия рассмотренных ранее местных водоупоров. В результатеразбуривания речных долин при проектировании плотин и железнодорожных мостов, атакже для водоснабжения, было установлено, что многие реки в областях гипсовогои известнякового карста обладают подрусловыми пустотами, часто с карстовымпотоком. В речной долине, в русле и под ним могут иметь место комбинации«этажей» стока. В районах, где карстующиеся породы развиты значительно нижеуровня реки, могут быть три основных пути карстовых вод в поперечной зонесифонной циркуляции: в русловой аллювий; в подрусловые подстилающие пустоты; вподрусловые пустоты, находящиеся на глубине 20–30 м и более под рекой.
По мере заполненияподрусловых карстовых пустот в зависимости от местных геологических и другихусловий подрусловой поток либо исчезает, либо перемещается на другой участокпоперечного профиля в новые пустоты, образовавшиеся за счёт выщелачивания. Таккак подземный поток перемещается в горизонтальном направлении медленнее, чеммеандрирующая река, то он может быть не только под руслом реки, но и под поймойи террасами. Подрусловый поток наблюдается не по всему течению рек. В местах,где за счёт фациальных изменений, строения или разрывных нарушений карстующиесяпороды под руслом замещаются некарстующимися, подрусловой поток выходит в рекеили близ её русла в виде восходящего источника. Зимой над местом выхода болеетёплых подрусловых вод лёд не образуется.
Зона глубиннойциркуляцииниже речных долин и подрусловых пустот характеризуется движением карстовых водпо структурам в направлении базисов разгрузки континентов и морей. Движениеобычно происходит весьма медленно и зависит от разности отметок области питанияи области разгрузки, проницаемости и др.
В горныхскладчатых сооружениях с современных или недавним вулканизмом карстовые явлениямогут быть вызваны также выщелачиванием пород восходящими глубинными –термальными и другими водами, поступающими главным образом по разломам. Вместах, где прекратилось поступление глубинных вод, наблюдаются арагонитовыесталагмитообразные «гейзеровые капельники». При отложении их в отличие отобычных сталагмитов воды поступают не сверху, а снизу. Таким образом, этоскорее своеобразные перевёрнутые сталактиты, представляющие собой конусыдиаметром до 16 м и высотой 0,1–2 м, с каналом внутри и кратером,иногда развиты «паразитические» конусы. Так появляется гейзерный сталагмитновой генерации. Изучение родниковых кратеров показывает, что из воды минералывыпадают в следующей последовательности: лимонит, вад, арагонит,силикокарбонат. Глубинные растворы обуславливают скопление в карстовых пустотахразличных полезных ископаемых.
Своеобразна ималоизученна циркуляция вод в рудном карсте. Сульфидные залежи, попав вобстановку выветривания, окисляются. Просачивающиеся с поверхности дождевые италые воды, обогащённые серной кислотой, интенсивно закарстовывают известняки,вмещающие руды.
Характердвижения подземных водотоков может быть ламинарным и турбулентным. Притурбулентном движении струйки жидкости пересекаются, быстро теряя энергию – вотличие от ламинарного. Турбулентное движение возникает в жидкости тем быстрее,чем выше её плотность, меньше вязкость, больше скорость и диаметр потока. Вкарстовых полостях происходит непрерывная смена видов движения: и впространстве (вниз по течению реки), и во времени (в высокую и малую воду).
Формысуществования воды, в т.ч. и под землёй, многообразны. Парообразная влага можетпередвигаться независимо от потока воздуха, перемещаясь из зон с большейабсолютной влажностью к зонам с меньшей влажностью, при их равенстве – из зоныс большей температурой воздуха (t, ºС) к меньшей. По микроклиматическим данным, в тёплыйпериод времени абсолютная влажность под землёй на 1–7 мм рт.ст. ниже, чемна поверхности. Возникает устойчивый поток влаги из атмосферы в карстовыепещеры и шахты, где и происходит её конденсация. Гидрогеологические данныесвидетельствуют о существовании небольших, но постоянных источников близ горныхвершин, перевалов, на изолированных возвышенностях – останцах, где питаниедождевыми осадками близко к нулю; давно замечено, что карстовые реки непересыхают всё лето. Эксперименты по получению влаги в специальных установках сразличным заполнителем (глыбы, щебёнка, галька, песок), проведённые в разныхклиматических зонах, показали, что каждые 5 м³ заполнителя генерируютв среднем 1 литр воды. Конденсация происходит и в летний, и в зимний периоды,причём интенсивность её увеличивается с понижением температуры воздуха наповерхности. Например, в Крыму в холодный сезон температура воздуха под землёйсоставляет +10ºС, абсолютная влажность – 9.0 мм рт.ст., а наповерхности -10ºС и 2,2 мм рт.ст. Таким образом, в этот период происходитвынос влаги из карстового массива. Но парообразная влага из глубины массива,поднимаясь вверх, конденсируется в верхней, охлаждённой части и на нижнейповерхности покрывающего её снега и в виде капели поступает по трещинам иполостям обратно в глубину массива. Таким образом, летняя конденсация – этоприбавка в водном балансе карстовых массивов, а зимняя – «двигатель»коррозионных процессов в приповерхностной зоне. Конденсационная влага в моментзарождения обладает нулевой минерализацией и очень высокой агрессивностью –способностью растворять горную породу. Это определяет роль конденсации вхолодном (образование микроформ на стенах, разрушение натёков) и горячем(образование пещер-шаров над поверхностью термальных вод) спелеогенезе.Конденсационное происхождение могут иметь сталактиты, коры, кораллиты,геликтиты, цветы и пр.
Капель иструйки гравитационной воды, стекая по стенам, образуют на дне пещер подземныеозёра. Согласно классификации Г.А. Максимовича, они могут иметькоррозионно-котловинное, аккумулятивно-котловинное, плотинное или сифонноепроисхождение. Котловинные озёра в основном «подвешенные», располагаются вышеуровня подземных вод. Образуются за счёт растворяющей деятельности воды или врезультате накопления на дне пещеры песчано-глинистых отложений. Пополняютсяони во время паводков и, так как под землёй почти нет испарения, имеют слабоменяющиеся уровни, которые иногда фиксируются оторочками кальцита. Они могуттерять воду, которая уходит в трещины, открывающиеся после землетрясений, илипрорывают пробку глины на дне. Тогда только по оторочкам на стенах залов можносказать, что здесь некогда была вода. Объём таких озёр невелик (редко болеепервых сотен м³). Плотинные озёра возникают в руслах подземных рек ускоплений обрушившихся со сводов камней или у натечных плотин, вырастающих впотоке при ритмичном отложении карбоната кальция. Они существуют довольно долгои исчезают при пропиливании рекой плотины. Их объёмы невелики (100–500 м³).Сифонные озёра заполняют U-образные каналы, часто неизвестной глубины и протяжённости.Пещерные озёра, возникающие на уровне карстовых вод, иногда имеют огромныеразмеры (до 1–2 гектаров).
3. ПЕЩЕРНЫЕОТЛОЖЕНИЯ
В пещерахприсутствуют практически все осадочные и кристаллические образования, известныена поверхности, но представлены они специфическими формами.
1. Остаточныеотложения. В карстующихся породах в небольших количествах (1 – 10%) обязательносодержится примесь песка или глины, состоящая из SiO2, Al2O3, Fe2O3. При растворенииизвестняков или гипсов нерастворимый остаток накапливается на стенах трещин,сползает на дно галерей. Смешивается с другими пещерными отложениями. Кпримеру, из 1 м³ юрских известняков (около 2,7 т) образуется 140 кг глины, которая сложена минералами иллитом, монтмориллонитом, каолинитом, полевым шпатом,кварцем. От их соотношения зависят свойства глин: часть из них набухает приувлажнении, закупоривая мелкие трещины, часть, напротив, легко отдаёт воду ибыстро осыпается со стенок. Иногда в образовании налётов глины принимаютучастие и бактерии: некоторые виды микробов способны получать углероднепосредственно из известняка – так на стенах образуются червеобразные илиокруглые углубления («глинистые вермикуляции»).
2. Обвальныеотложения подразделяют на три группы разного происхождения.
– термогравитационныеобразуются только у входа в пещеру, где велики суточные и сезонные колебания температур.Их стены «шелушатся», присводовая часть полости растёт, на полу накапливаетсящебень и мелкозём. Количество этого материала, его состав, размеры, формачастиц, число их рёбер и граней хранят зашифрованную информацию об измененияхклимата района на протяжении десятков тысяч лет.
– обвально-гравитационныеотложения формируются на всём протяжении пещер, особенно обильно – в зонахтектонической трещинноватости. Щебёнка, дресва, небольшие глыбы, упавшие сосводов, дают представление о геологическом строении залов, которое сложноизучить непосредственно.
– провально-гравитационныеотложения: при обвале на дне галереи только тот материал, который имеется всамой пещере; при провале свода в неё поступает материал с поверхности, а приобрушении междуэтажных перекрытий возникают огромные залы. Эти отложенияпредставлены блоками и глыбами весом в сотни тысяч тонн. Красновато-бураяповерхность известняков покрыта белыми «звёздами» – следами ударов упавшихкамней. Слагающие пещеру известняки сами падают под углом 30º, поэтому приотрыве пласта в своде зала он смещается шарнирно, с поворотом и переворотом.Кроме блоков и глыб, наблюдаются поваленные натечные колонны. Сильныеземлетрясения вызывают обрушение сводов, и ориентированные поваленные колонныиногда уверенно указывают на эпицентры. Натечные колонны также –«минералогические» отвесы, в которых зафиксировано положение геофизическойвертикали данной местности на протяжении всего её роста. Если после падения наних нарастают сталагмиты или сталактиты, то по их возрасту можно определитьвозраст колонны.
Обратнаясвязь карста и сейсмологии заключается в том, что при провале свода пещерыобразуются блоки весом до 2–3 тысяч тонн. Удар о пол при падении с высоты 10–100 мвысвобождает энергию, равную 1·! 013 – 1015 эрг, чтосоизмеримо с энергией землетрясений. Локализуется она в небольшом объёмепороды, но может вызвать ощутимое местное землетрясение силой до 5 баллов.
3. Водныемеханические отложения – источник сведений об условиях развития карстовыхполостей. Если состав отложений соответствует составу минералов вмещающихпород, то пещера сформирована местными потоками. Крупность таких отложений – отметровых валунов (в пещерах, сформированных ледниками), до тончайшей глины.Зная площадь поперечного сечения хода и диаметры отложившихся частиц, оцениваютскорости и расход древних потоков, в какой гидродинамической зоне закладываласьпещера.
4. водныехемогенные отложения. Термины «сталактит» и «сталагмит» (от греческого«сталагма» – капля) ввёл в литературу в 1655 г. датский натуралист ОлаоВорм. Эти образования связаны с капельной формой движения воды – раствора,содержащего различные компоненты. Когда в основании обводнённой трещиныформируется капля раствора, это не только борьба силы поверхностного натяженияи силы тяжести. Одновременно начинаются химические процессы, приводящие квыпадению на контакте раствора и горной породы микроскопических частицкарбоната кальция. Несколько тысяч капель, сорвавшихся с потолка пещеры, оставляютпосле себя на контакте порода / раствор тонкое полупрозрачное колечкокальцита. Следующие порции воды уже будут образовывать капли на контактекальцит / раствор. Так из колечка формируется всё удлиняющаяся трубочка(брчки – достигают 4–5 м в пещере Гомбасек, Словакия). Таким образом,химическая основа процесса – обратимая реакция
CaCO3 + Н2О + CO2Ca2+ + 2HCO3- (1)
Прирастворении известняка реакция идёт вправо, с образованием одногодвухвалентного иона Ca и двух одновалентных ионов HCO3. При образовании натёковреакция идёт влево и из этих ионов образуется минерал кальцит. Реакция (1) идётв несколько стадий. Сначала вода взаимодействует с углекислым газом:
H2O+ CO2 = H2CO3 H+ + HCO3-(2)
Но угольнаякислота слабая, поэтому диссоциирует на ион водорода Н+ и на ион HCO3- Ион водорода подкисляетраствор, и только после этого начинается растворение кальцита. В формуле (1)только один ион HCO3 поступает из породы, а второй не связан с нею и образуется изпривнесенных в карстовый массив воды и углекислого газа. Это на 20–20%уменьшает расчётную величину активности карстового процесса. Например, пустьсумма всех ионов, находящихся в воде, составляет 400 мг/л (в т.ч. 200 мг/лHCO3). Если мы используеманализ для оценки питьевой воды, то в расчёт включаются все 400 мг/л, но еслипо этому анализу рассчитывать интенсивность карстового процесса, то в расчётследует включать сумму ионов минус половина содержания иона HCO3 (400–100=300 мг/л). Такженеобходимо учитывать, какой перепад парциальных давлений CO2 имеется в системе. В 40–50 гг.считалось, что карстовый процесс идёт только за счёт CO2, поступающего изатмосферы. Но в воздухе его всего 0, 03–0,04 объёмных % (давление 0,0003–0,0004 ммрт.ст.), и колебания этой величины по широте и высоте над уровнем морянезначительны. Но замечено, что более богаты натёками пещеры умеренных широт исубтропиков, а в пещерах высоких широт и больших высот их совсем мало. Изучениесостава почвенного воздуха показало, что содержание CO2 в нём 1–5 объёмных %, т.е.на 1,5–2 порядка больше, чем в атмосфере. Немедленно возникла гипотеза:сталактиты образуются при перепаде парциального давления CO2 в трещинах (такое же,как и в почвенном воздухе) и воздуха пещер, имеющего атмосферное содержание CO2. Таким образом,сталактиты образуются в основном не при испарении влаги, а при наличииградиента парциального давления CO2 от 1–5% до 0,1–0,5%(воздух в пещерах). Покапитающий канал сталактита открыт, по нему регулярно поступают капли. Срываясь сего кончика, они образуют на полу одиночный сталагмит. Происходит этодесятки-сотни лет. Когда питающий канал зарастёт, будет забит глиной илипесчинками, в нём повышается гидростатическое давление. Стенка прорывается, исталактит продолжает расти за счёт стекания плёнки растворов по внешнейстороне. При просачивании воды вдоль плоскостей напластования и наклонныхтрещин в своде возникают ряды сталактитов, бахрома, занавеси, каскады. Взависимости от постоянства водопритока и высоты зала под капельникамиобразуются одиночные сталагмиты-палки высотой 1–2 м (до десятков метров) идиаметром 3–4 см. При срастании сталактитов и сталагмитов образуютсяколонны – сталагнаты, высотой до 30–40 м и диаметром 10–12 м. Всубаэральных условиях (воздушной среде) образуются антодиты (цветы), пузыри(баллоны), кораллы (кораллоиды, ботриоиды), геликтиты (спирали до 2 мвысотой) и пр. Отмечены субаквальные формы. На поверхности подземных озёробразуется тонкая минеральная плёнка, которая может прикрепиться к стенке. Еслиуровень воды колеблется, то образуются уровни нарастания. В слабо проточнойводе образуются плотины-гуры (от нескольких см до 15 м высотой), пещерныйжемчуг. Необъяснимо пока происхождение только «лунного молока».
/>
Рис. 10.Геохимические обстановки образования водных хемогенных отложений пещер. Породыи отложения: а – известняки, б – доломиты, в-гипс, г – каменная соль, д –рудное тело, е – глина, ж – гуано, з – почвы; воды: и – почвенные, к –инфильтрационные, л – термальные; м – классы минералов (1 – лёд, 2 – сульфаты,3 – нитраты, 4 – галоиды, 5 – фосфаты, 6 – сернистые, 7 – карбонаты, 8 –оксиды, 9 – металлы карбонатов, 10 – сульфиды); н – особые условия образования(наличие: 1 – пирита, 2 – бактерий, 3 – колоний летучих мышей, 4 –гидротермальных растворов, 5 – пирита и марказита); о – минеральные виды иформы их выделения (1 – ледяные сталактиты; 2 – дендриты эпсомита, мирабилита,тенардита; 3 – коры эпсомита и мирабилита; 4 – кристаллы гипса, барита,целестина; 5 – различные кальцитовые образования; 6 – лунное молоко; 7 –соляные формы; 8 – гидрокальцит; 9 – фосфаты алюминия; 10 – нитрофосфаты; 11 –минералы цинка и железа; 12 – оксиды сульфидов; 13 – ванадинит, флюорит; 14 –оксиды железа и свинца; 15 – лимонит, гётит; 16 – церуссит, азурит, малахит; 17– сталактиты опала; 18 – гемиморфит; 19 – кристаллы кварца)
5. Криогенные.Вода в виде снега и льда характерна для пещер с отрицательными температурами.Скопления снега образуются только в подземных полостях с большими входами. Снегзалетает в пещеру или накапливается на уступах шахт. Иногда формируются снежныеконусы объёмом десятки-сотни м³ на глубине 100–150 м под входнымотверстием. Лёд в пещерах имеет различный генезис. Чаще происходит уплотнениеснега, который превращается в фирн и глетчерный лёд. Реже образуется подземныйледник, ещё реже отмечается сохранение льда, образованного в условияхмноголетней мерзлоты или затекание наземных ледников. Второй путь образованияльда – попадание в холодные (статические) пещеры талой снеговой воды. Третийпуть – охлаждение воздуха в ветровых (динамических) пещерах и четвёртый –образование сублимационных кристаллов атмогенного происхождения на охлаждённойповерхности горной породы или на льду. Наименее минерализованный (30–60 г./л)– сублимационный и глетчерный лёд, наиболее (более 2 г/л) – лёд из гипсовых исоляных пещер. Пещеры со льдом чаще всего встречаются в горах, на высоте от 900до 2000 м. Лёд образует все формы, свойственные обычным натёкам.
6.Органогенные: гуано, костяная брекчия, фосфориты, селитра. Выделяют такжеантропогенные отложения.
7.Гидротермальные: ангидрит, арагонит, анкерит, барит, гематит, кварц, киноварь,рутил. Также некоторые разности зональных отложений кальцита – мраморныеониксы. Такие образования имеют специфические формы выделения: часты хорошоогранённые кристаллы, пересекающиеся перегородки (боксворки), «гейзермиты»…Известны карстовые месторождения свинца и цинка, сурьмы и ртути, урана изолота, бария и целестина, исландского шпата и бокситов, никеля и марганца,железа и серы, малахита и алмазов.
Заключение
Карст оченьшироко распространён на поверхности Земли и в приповерхностной зоне земнойкоры. Наблюдается исключительно большая специфичность и универсальностькарстовых форм и гидрологических явлений. В большинстве случаев на поверхностиЗемли преобладает ванновый рельеф, если не считать останцового тропическогокарста (который сам по себе универсален), но и в тропиках на равнинах ванновыйрельеф распространён достаточно широко, к тому же он часто сочетается состанцовым. Карры встречаются не во всех типах карста, но как толькокарстующаяся порода обнажается на поверхности, они появляются. В различныхгеолого-геоморфологических и физико-географических условиях карстовые формыпредставлены неодинаковыми разновидностями, но основные типы форм игидрологических явлений налицо всюду. Универсальность карстовых форм игидрологических явлений – это следствие ведущего процесса в образовании карста:процесса выщелачивания растворимых горных пород. Можно подчеркнуть приоритетгеологической основы в развитии карста, карстового рельефа и карстовоголандшафта. Также влияние на развитие карста оказывает физико-географическаяобстановка, с которой связана широтная и высотная зональность карстовыхявлений. Карстовый рельеф, карстовые ландшафты и происходящие в них процессынастолько специфичны, что ни одно серьёзное хозяйственное мероприятие назакарстованной территории не может быть выполнено без их учёта и часто безспециального изучения. Карст оказывает глубокое влияние на ландшафт какфизико-географический комплекс. Он влияет на сток, карстовые формы рельефа – намикроклимат и распределение почвенно-растительного покрова, карстующиесяпороды, их состав – на почвы и растительность, химический состав карстовых вод,на ландшафт в целом и т.д. Дренирующая способность карста усиливает недостатоквлаги в засушливых областях и, наоборот, создаёт более благоприятные условиядля развития ландшафтов в областях, избыточно увлажнённых. Карст ведёт кдеградации вечной мерзлоты, также заметно улучшая природные особенноститерритории. О степени влияния карста на географический ландшафт можно судитьисходя из морфолого-генетического типа карста.
Наблюдения впещерах позволяют выявить карстовую тектонику. Пещеры не только даютпалеонтологическую и археологическую датировку, а также амплитудунеотектонических движений, но и позволяют установить новейшие разрывныенарушения.
Списоклитературы
1. Дублянский В.Н. Занимательнаяспелеология. – Урал LTD, 2000. – 500 с.
2. Гвоздецкий Н.А. Карст.– М.: Мысль, 1981. – 212 с.
3. Максимович Г.А. Основыкарстоведения, том I. – Пермь, 1963.
4. Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Основыгеологии. – М.: Высш. шк., 1991. – 416 с.
5. Тимофеев Д.А., Дублянский В.Н.,Кикнадзе Т.З. Терминология карста. – М.: Наука, 1991. – 260 с.
6. Дублянский В.Н. Карстовыепещеры. – М: Знание, 1977. – 50 с.