Карстовые породы

Введение

Разнообразие карстующихся горных пород, условий их залегания, рельефа, климата, зон движения и состава вод, др. факторы приводят к образованию различных поверхностных и подземных карстовых форм. Непосредственным изучением подземного карста (пещер) занимается наука спелеология, которая возникла на пересечении интересов карстоведения и пещероведения. Через карстоведение она связана с основными «обеспечивающими» геологическими (геология, гидрогеология, геоморфология) и географическими (гидрология, климатология, почвоведение, ландшафтоведение, палеогеография) науками; через пещероведение - с ботаникой, зоологией, археологией, антропологией, медициной, спортом, хозяйством. Так как пещеры и шахты (вертикальные полости-колодцы, пропасти…) встречаются не только в карстующихся (растворимых), но и в других породах - гранитах, базальтах, ледниковых льдах, - то пещероведение контактирует с вулканологией, гляциологией и пр. В сферу интересов спелеологии включены в ХХ веке искусственные полости (горные выработки, пещерные монастыри, подземные ходы…). Учитываются также различия в процессах образования полостей, их формах и количестве (Приложение 1). Подземной полостью принято считать отрицательную форму рельефа, у которой длина (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 основу классификации подземных полостей положен генетический подход: группы полостей выделены по антропогенному признаку (искусственные и естественные), классы - по источнику энергии полостеобразующих процессов (эндо, экзо, антропогенному), подклассы - по характеру перемещения вещества. Типы - по основному процессу полостеобразования. Классификация включает только моногенетические (образованные одним ведущим процессом) полости. В природе имеются и полигенетические, которые относятся к смешенным типам (коррозионно-гравитационный, экскавационно-коррозионный, суффозионно-коррозионно-абразионный и др.). Карстовые полости - всего лишь один из 11 подклассов естественных полостей, но они всё же выделяются: к ним относятся все самые крупные полости мира, наиболее красивые по натечному убранству залы, самые богатые археологическими и прочими находками пещеры.… По количеству их на 1-4 порядка больше, чем остальных. Так что карстовые полости заслуживают отдельного рассмотрения.

1. Карстовые явления

Карст-процесс растворения (выщелачивания) трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные формы рельефа на земной поверхности и различные полости, каналы и пещеры на глубине. Впервые такие процессы были детально изучены на побережье Адриатического моря, на плато Карст близ Триеста, откуда и получили своё название. Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста способствует открытая поверхность растворимых пород и частые ливни. Покрытый карст отличается от открытого тем, что закарстованные породы перекрыты нерастворимыми или слаборастворимыми породами: формы поверхностного выщелачивания здесь отсутствуют, процесс протекает на глубине. На контакте с закарстованными породами происходит перемещение материала покрывающих пород в ниже расположенные карстовые полости, в результате чего образуются блюдцеобразные и воронкообразные формы.

Существует два основных противоположных процесса: с одной стороны, разрушение карстующихся пород химическим и отчасти механическим воздействием подземных и поверхностных внерусловых вод, дающее разнообразные карстовые формы; с другой стороны, отложение продуктов разрушения. Связующим звеном между ними является перенос растворённых и влекомых карстовыми водами веществ. В результате разрушительной деятельности - коррозии и карстовой эрозии - образуются скульптурные формы карста разных размеров (Приложение 2). Карстовые формы образуются в результате сложного взаимодействия многих геодинамических процессов, среди которых растворение (коррозия) является ведущим. Другие карстообразующие процессы - эрозия, обрушение, выветривание. В нерастворимых породах, покрывающих закарстованные 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 можно разделить на две группы. К первой относятся продукты, образованные из самих карстующихся 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 других образований, а также льда. Особую группу представляют карстовая брекчия, песок и мука, образующиеся в результате разрушения карстующихся пород в течение длительного геологического времени. Эти автохтонные карстовые отложения возникают в различных зонах циркуляции как химическим путём (за счёт растворения), так и механическим - при обрушении (карстовая брекчия). Карстовая мука и песок возникли, главным образом, в зонах горизонтальной и глубинной циркуляции, а карстовая брекчия в первой из них и в зоне вертикальной нисходящей циркуляции.

К поверхностным карстовым формам относятся: карры (шрамы), карстовые желоба и рвы (более глубокие, с крутыми бортами), богазы, карстовые воронки, блюдца и западины (нечётко выраженные мелкие воронки), котловины (на дне которых могут развиваться воронки), суходолы, полья - наиболее крупные карстовые формы (тектонические; возникшие путём подземного механического выноса нерастворимой породы, залегающей среди карстующихся известняков или на контакте с ними; возникшие за счёт слияния группы воронок и котловин при их росте в горизонтальном направлении; провальные.), карстовые останцы (характерны для тропического карста). Переходными от поверхностных форм к пещерам типа гротов являются навесы и ниши; естественные мосты и арки возникают чаще всего при обрушении потолка пещерных тоннелей, ниш.

К подземным карстовым формам относят колодцы и шахты, пропасти, пещеры.

Карстовые колодцы и шахты - это вертикальные или крутонаклонные полости; к шахтам относят полости глубже 20 м, достигающие нескольких десятков и сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть провальными (гравитационными); гравитационно-коррозионными, образованными путём выщелачивания водой карстующихся 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 горной породы; образованные подобным же действием восходящих по трещинам артезианских вод.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся глубочайшие карстовые полости мира, достигающие глубины более 1000 м. Первая шахта, с входным отверстием на поверхности, может быть коррозионно-эрозионной (чаще всего), либо нивально-коррозионной, гравитационно-коррозионной, провальной. Для глубинных частей пропастей нивально-коррозионные шахтные стволы не типичны, более обычны коррозионно-эрозионные шахты, но встречаются гравитационно-коррозионные и провальные.

Большинство карстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместном действии растворения и размыва горной породы (размыва, подготавливаемого растворением по спайкам зёрен). Значительна бывает и роль обрушений породы, особенно на зрелых стадиях разработки пещерных полостей. Некоторые пещеры возникли под действием термальных и минеральных вод. Пещерные полости так называемого «рудного карста» развились под действием на известняк сернокислых растворов, образовавшихся пи окислении пирита и других сульфидов. Встречаются пещеры, представляющие собой в основе сильно раскрытые тектонические трещины, но моделированные процессами выщелачивания (подземные карры и пр.) и осаждения по стенам трещин натечно-капельных образований.

Когда карстовый массив пересекает крупная река, образуется несколько гидродинамических зон (рис. 2). Вода, стекающая по продуктам выветривания карстующихся пород, образует зону поверхностного движения (І), или зону аэрации, где осуществляется главным образом нисходящее движение инфильтрационных и инфлюационных (лат. «инфлюацио» - втекание) вод, с которыми связано формирование поверхностных карстовых форм. Многочисленные трещины и вертикальные карстовые полости отводят воду вглубь карстового массива, где выделяются несколько зон движения карстовых вод. При высоком стоянии их уровня происходит горизонтальное движение воды, при низком - вертикальное, в соответствии, с чем осуществляется направленное выщелачивание карстующихся пород. Вначале вода движется вниз примерно по вертикали. Это зона вертикального нисходящего движения карстовых вод (ІІ), её мощность колеблется от 30-100 м на равнине до 100-200 - 2000 м в горах. Ниже, на уровне днищ речных долин, вертикальное нисходящее движение сменяется почти горизонтальным. Это зона горизонтального движения карстовых вод, для которой характерна постоянная обводнённость и наличие слабого уклона водного зеркала к реке (ІV). После весеннего снеготаяния и сильных ливней уровень воды здесь может повышаться на 5-100, в горных районах на 100-200 м. Поэтому выделяется промежуточная зона, лишь периодически насыщенная водой, где в разные сезоны происходит вертикальное или горизонтальное движение карстовых вод. Для всех этих трёх зон характерен свободный контакт воды с воздухом, содержащим до 0, 05-0, 5% углекислоты, поступающей с поверхности, за счёт биохимических процессов, происходящих в почвенном слое, а также формирующейся под землёй при окислении органических веществ и различных минералов (преимущественно пирита). С последними двумя зонами связаны горизонтальные каналы пещер и нисходящие карстовые источники, располагающиеся либо образующиеся несколько этажей, на равнинах часто соответствующих 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 выделять подзону поддолинной циркуляции (Vа). Ниже располагается зона глубинного движения (VІ). Скорость воды здесь невелика (менее 100 м/сут), и она находится под напором. С зоной сифонного движения связаны восходящие карстовые источники, часто имеющие огромный расход.

Рис. 2. Гидродинамические зоны в карстовом массиве

При восходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщ и складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей (горизонтальные или почти горизонтальные), заложение которых не связано с соответствующим наслоением горных пород. Палеозоологические и археологические данные свидетельствуют 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 циклу развития речной долины. С такими террасами, расположенными на разных высотах коррелируются (лат. «корреляцио» - соотношение) карстовые пещеры. Зная возраст террас, можно приближённо оценить время формирования пещер. При оценке степени закарстованности массива важно знать историю геологического развития района. Известны несколько возрастных генераций карста, соответствующих длительным этапам континентального развития, в течение которых происходило активное эрозионное расчленение, формирование речных долин и связанных с ними подземных вод 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 и триасового) до трансгрессии юрского моря. Гидрографическая сеть кайнозойского времени местами вскрывает каменноугольные закарстованные известняки, что вызывает оживление карстовых процессов, продолжающихся и поныне. [4.] В речных долинах, формирующихся за счёт глубинной и боковой эрозии, а также ряда других процессов (делювиальных, оползневых, карстовых и т.д.), в периоды замедления или почти полного отсутствия на данном участке вертикальных движений боковая эрозия резко преобладает над вертикальной и происходит формирование аккумулятивного комплекса цокольных речных террас. Таким образом, паузы в вертикальных движениях в карстовых районах сопровождаются в магистральных речных долинах образованием цокольных речных террас и горизонтальных пещер. Это позволяет синхронизировать данные эрозионные и карстовые образования.

Возраст четвертичных отложений аккумулятивного комплекса речных террас устанавливается по палеонтологическим и археологическим данным. О возрасте горизонтальных карстовых пещер судят по тем же данным, а иногда привлекают полугодовые кольца сталактитов и сталагмитов. Хотя устья карстовых пещер и несколько уничтожаются боковой эрозией и смывом, однако пещеры, как находящиеся в глубине массива карстующихся пород, часто лучше сохраняются, чем аккумулятивные образования речных террас. Последние, особенно в горных районах, уничтожаются либо за счёт боковой эрозии, либо смывом. В результате от террасы сохраняется только её цоколь. Эти эрозионные (скульптурные) террасы уже не дают возможности применить палеонтологический и археологический методы. Поэтому горизонтальные карстовые пещеры приобретают ещё большее значение, т. к. путём корреляции их с речными террасами можно установить возраст последних. Подобным же образом в районе морских побережий сопоставляются горизонтальные карстовые пещеры и морские террасы.

В зависимости от местных условий - мощности карстующегося массива, однородности карстующихся пород, наличия или отсутствия некарстующихся пластов, движений земной коры, расчленённости массива транзитными магистральными реками, элементов залегания карстующихся пород, геоморфологических, климатических и ряда других - наблюдается различное распределение гидродинамических зон карстовых вод.

Карстовые воды, образующие горизонтальные каналы, примерно перпендикулярные реке, могут формироваться до 30-35 м ниже дна реки. При поднятии района пойма превратится в новую террасу, а канал подруслового, параллельного реке, потока и сопряжённые с ним горизонтальные каналы, перпендикулярные реке, в зависимости от глубины вертикального врезания реки будут вскрыты или не вскрыты рекою, меандрирующей на новом, более низком, уровне. В случае вскрытия горизонтальные каналы превратятся вначале в пещеры с источниками, а затем в сухие пещеры. В то время, когда по пещере течёт источник, в ней образуется однообразный уклон к реке, который мог отсутствовать, когда канал входил в зону сифонной циркуляции. Иногда широкая и высокая арка входа в пещеру является не только результатом обрушения свода и принятия наиболее устойчивой формы, но реликтом былой зоны сифонной циркуляции; необходимо, конечно, учитывать и роль последующих колебательных движений, изменяющих наклон земной коры в районе. Если взять как наиболее устойчивую категорию не средний уровень поверхности аккумулятивного комплекса цокольной террасы, а её цоколь, то при наличии горизонтальных пещерных каналов, образовавшихся в зоне сифонной циркуляции, данной террасе, будут соответствовать пещеры, расположенные не на одинаковом уровне, а на 20-35 м ниже. Задержка в углублении пещерных каналов по сравнению с дренирующей рекой, при наличии хорошо разработанной зоны поглощения, может привести к тому, что водоносными будут пещерные каналы, находящиеся на высоте 20-50-100 м над уровнем воды в реке. В этом случае пещера станет сухой и может быть заселена только тогда, когда река опустится на несколько ярусов.

1.1 Формирование карстовых пещер

Итак, при формировании карстовых полостей происходит взаимное наложение коррозионного, эрозионного и гравитационного процессов в пространстве (в пределах разных гидродинамических зон) и во времени (на разных стадиях развития карста и в различные сезоны). По положению в рельефе, морфологии, характеру заполнителя, химическому составу подземных вод для каждой полости можно выделить основной (формирующий) и сопутствующий (моделирующий) геодинамические процессы. Исходя из этого, выделяют коррозионно-гравитационные, нивально-коррозионные, коррозионно-эрозионные карстовые полости.

Ведущим фактором образования коррозионно-гравитационных полостей является движение блоков горных пород под влиянием силы тяжести, фактором моделирования - нивально-коррозионные и конденсационно-коррозионные процессы. Такие полости располагаются в верхней части склонов речных долин и в прибровочной части плато горных массивов. Полости, находящиеся в высоких крутых обрывах, образуются преимущественно по трещинам отседания. На начальной стадии раскрытия их ширина в верхней части не превышает 1-2 м (рис. 3, а). В пологопадающих слоистых и неслоистых породах вдоль трещин отседания образуются сравнительно простые по морфологии колодцы и шахты (рис. 3, б). На разной глубине они перегорожены глыбовыми навалами. Глубина таких шахт достигает 60-80 м, узкие щели продолжаются значительно глубже. В крутопадающих слоистых породах формируются «коленчатые» шахты. При смещении по напластованию отдельных глыб, «закрывающих» трещину, возникают небольшие пещеры (рис. 3, в). Если в основании отсевшего блока лежат водоупорные породы, формирование трещин отседания способствует возникновению глыбовых оползней. При этом в теле массива возникают клиновидные сужающиеся кверху трещины и полости.

Рис. 3. Коррозионно-гравитационные полости

Пещеры и шахты в смещённых блоках могут иметь длину 100-150 м и глубину более 100 м. значительно реже тектонические трещины раскрываются в центральной части плато горных массивов. При этом отмечаются линейно-вытянутые или коленчатые полости длиной 200-300 м и глубиной 60-100 м. их галереи обычно бывают забиты глыбово-обвальными накоплениями. Коррозия талыми и конденсационными водами приводит к выщелачиванию стенок и к формированию на них желобчатых карров.

К нивально-коррозионным полостям относятся вертикальные полости, не имеющие на дне значительных боковых ходов. Зачастую на подветренных склонах и в карстовых воронках накапливаются многометровые сугробы, которые непрерывно подтаивают на протяжении всей зимы и холодная, насыщенная углекислотой вода постепенно расширяет трещины и поноры, превращая их в колодцы и шахты. Нивально-коррозионные полости в большинстве случаев (89%) не имеют питающих водосборов и располагаются в условиях, исключающих эрозионных проработку. Резко преобладают неглубокие (5-20 м), ещё развивающиеся колодцы (67%). Более глубокие полости (21-80 м) часто имеют на дне сохраняющиеся всё лето скопления снега, который «бронирует» дно шахты, замедляя её дальнейший рост. Конусовидные колодцы и шахты имеют округлое входное отверстие большого диаметра (5-30 м). Заложены они обычно в неслоистых или толстослоистых известняках по двум взаимно перпендикулярным системам тектонических трещин. Цилиндрические полости образуются за счёт 3-4 сопряжённых систем трещин. Щелевидные полости используют одну основную систему трещин (рис. 4, в). Вследствие неблагоприятных условий летнего прогрева на дне таких шахт часто сохраняются снежные конусы до 8-14 м высотой. К сложным относятся полости, имеющие небольшое входное отверстие (0,3-0,8 м) и прихотливую конфигурацию. Располагаются в основном под крутыми структурными уступами и формируются при стаивании снежных надувов и карнизов. Часто имеют слепые ответвления и купола, использующие трещины напластования или тектонические. Наиболее благоприятные условия для формирования нивально-коррозионных полостей создаются в среднегорном карсте, где выпадает достаточно снега, он активно перераспределяется ветром и периодически (до 6-7 раз в год) стаивает. В условиях высокогорного карста снег стаивает только летом. При этом резко уменьшается его агрессивность, так как углекислый газ, содержащийся в снегу, улетучивается, не успевая переходить в раствор. Скопления снега и льда на дне даже неглубоких карстовых колодцев и шахт могут сохраняться всё лето. Полости этого класса бедны отложениями.

Рис. 4. Нивально-коррозионные полости

Коррозионно-эрозионные полости тяготеют к современной или древней гидрографической сети. Они располагаются под днищами ныне сухих карстовых долин, иногда представляют собой бывшие полости-поноры или полости-источники. Изредка располагаются под водоразделами между смежными долинами или на шейках меандров. Обычно имеют значительные размеры, это все самые крупные карстовые системы мира. Наиболее благоприятны для формирования крупных карстовых водоносных систем случаи, когда их питающие водосборы частично или полностью сформированы в некарстующихся водоупорных породах. Тогда поверхностный сток поступает под землю путём «втекания» в крупные трещины, быстро расширяя их за счёт механической энергии падающей воды и за счёт истирания 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 при частичном перетоке воды крупных транзитных рек через водоразделы в смежные долины или при расположении полостей в меандрах крупных рек. Если питающий водосбор сравнительно невелик и сложен карстующимися породами, то формирование пещер происходит за счёт местного, инфильтрационного питания и они обычно имеют небольшие размеры -0,2-2,0 км. Коррозионно-эрозионным пещерам свойственны такие признаки проработки текучими водами, как древовидность системы, меандрирование галерей, уступы в поперечном профиле (образованы подземными водопадами), эрозионные котлы в руслах, желоба и горизонтальные ниши на стенах, водно-аккумулятивные отложения (галька, песок, глина) автохтонного и аллохтонного происхождения - их состав свидетельствует о переносе, сортировке и отложении водными потоками.

Рис. 5. Условия, наиболее благоприятные для развития коррозионно-эрозионных полостей. 1 - известняки, 2 - гипс, 3 - некарстующиеся породы, 4 - лёд и снег

В морфологии пещерных полостей большая роль принадлежит трещинноватости карстующейся породы и натечно-капельным образованиям. При разработке пещерных тоннелей по вертикальным и крутонаклонным трещинам они отличаются прямолинейностью, резкими «коленчатыми» изгибами. Под разными углами от них отходят ответвления. Нередко тоннели пересекаются, образуя сложные решётчатые лабиринты Эволюция натечно-капельных образований зависит от уменьшения притоков воды в пещеру при переходе от воклюзовой к водно-галерейной и сухогалерейной стадиям. Сначала развиваются наплывы на полу пещеры, гуры, затем сталагмиты с широким основанием, сменяющиеся далее палкообразными. И лишь когда приток воды снижается до 0,1-0,01 куб. см/сек, появляются сталактиты. При общем его снижении образуются эксцентричные сталактиты. При общем снижении обводнённости пещеры в процессе её эволюции на одной и той же стадии наблюдаются в разных частях пещерной полости неодинаковые притоки воды, отчего появляются различные формы натечно-капельных образований. Пещеры-ледники характеризуются ледяными натечно-капельными и кристаллическими образованиями. Выделяется семь типов карстовых полостей-ледников в России, различающихся по условиям возникновения пещерного холода, накопления льда и снега: скопления льда и снега; ледяные кристаллы на потолке пещерных ходов; вечная мерзлота; циркуляция холодного воздуха; поступление снега; поступление воды. К области вечной мерзлоты, где пещерный лёд представляет собой особую её форму, относятся последние три типа.

Итак, карстовые явления представляют собой сложный многообразный процесс, развивающийся лишь при наличии следующих основных условий: карстующихся горных породах, их способности пропускать воду и наличии движущейся воды, способной растворять. При отсутствии одного из них карстообразования не будет. Карст - процесс химического (растворение) и отчасти механического (разрушение струёй) воздействия вод на растворимые проницаемые горные породы. В карстовых шахтах горных областей воды, насыщенные гидрокарбонатным ионом и кальцием за счёт контакта со стенками в верхних участках, в нижней части уже не способны растворять. Однако падение воды с огромной высоты производит большую механическую работу, и шахта будет расширяться и углубляться даже тогда, когда растворение отсутствует. Подобная картина наблюдается также в наклонных и горизонтальных карстовых пещерах с их подземными карами.

В 90-е годы оформилась теория эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно происходят процессы растворения и образуются различные полости.

Рис. 6. Развитие трещин в эпикарстовой зоне (А) и модель развития плювиально-коррозионной полости в ней (Б)

Формируется своеобразная депрессионная воронка в приповерхностной зоне вертикальной циркуляции карстовых вод, хотя обычно такие воронки формируются только в полностью обводнённых породах при откачке воды из скважин. В самой верхней части эпикарстовой (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием; в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющих некоторое раскрытие в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичные крупные тектонические трещины. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м?). На её поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся расширенных тектонических трещин, образовалось каровое поле. Прошёл ливневый дождь средней интенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объёме 20 м? (1000 м? на 0, 02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Сначала она заполнила 20 трещин (по 1 м? в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м?), затем сосредоточилась в одной (20 м?). Именно здесь, под поверхностью, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными (лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талые снеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхности появляется готовая карстовая шахта. Полости отличаются друг от друга не только по плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзоне дробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру), в глыбовой - выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а в блоковой - сохраняется одно из них.

Спелеологические исследования карстовых массивов привели к заключению, что существует тип коррозионно-эрозионных полостей, состоящих из трёх звеньев: верхнего (пещеры- и шахты-поноры), среднего (вскрытые пещеры), нижнего (пещеры-источники). Индикаторные опыты ХХ в. Доказали наличие гидрогеологических систем, дренирующих целые карстовые массивы, протяжённостью до 75 км. «размах по вертикали» 3 км.

Жители карстовых районов всего мира давно обратили внимание, что поверхностные водотоки часто пропадают - «поныряют» под землю. С помощью пешер-поноров происходит перевод поверхностного стока в подземный. Нередко они расширяются в галереи пещер или колодцы. Особенно большие полости формируются, когда под землю уходят водотоки, формирующиеся на водоупорах. Большинство их заканчиваются щелью, затопленной галереей, глыбовым завалом, замывом глины, галечниковой россыпью, натёком кальцита или льда.

Вскрытые пещеры - галереи, в которые невозможно проникнуть по течению подземных рек. Они становятся доступными только тогда, когда их сообщают с поверхностью (вскрывают) различные деструктивные процессы: денудация (тогда это узкая щель на любом элементе поверхностного карстового рельефа), коррозия (вход в систему открывается на дне или на склоне карстовой воронки либо колодца), эрозия (в систему ведёт узкий ход, промытый текучими водами), гравитация (провал купола зала). Возникающие при этом полости полигенетичны. Используют термин «карстовая система», обозначающий проходимую для человека часть гидрогеологической системы.

Большинство карстовых и некарстовых полостей мира имеет простое строение - главный «ствол» и боковые «ветви» - притоки. Но давно известны и пещеры-лабиринты - сложные системы взаимосвязанных ходов, зачастую образовавшиеся за счёт процессов растворения при смешивании холодных инфильтрационных и термальных подземных вод разного химического состава.

Самый простой случай формирования крупнейших полостей мира - это «речная» система. Подземная река, получающая основной объём питания через один вход. Образует слабонаклонную, меандрирующую полость без боковых притоков. При более крутом падении пластов образуются колодцы и шахты глубиной от 2-5 до 100-200 м и более. Нередко они образуют сложную спираль, отдельные изгибы которой в плане накладываются друг на друга. Развитием первого случая, обусловленным в основном особенностями геологического строения района, является появление в средней и нижней частях системы расширений (классический, но до конца не ясный специалистам по горной механике - зал в пещере Лубанг Насиб Банус: каким образом он сформировался, и какие силы удерживают гигантский безопорный свод площадью 26 футбольных полей, - пока не установлено.). Дальнейшее развитие «речной» системы - принятие ею многочисленных притоков. Как и наземные реки, такие пещеры имеют рисунок, определяемый развитием трещин и характером питания. Если развитие пещеры происходит при поднятии горного массива или при врезании равнинных 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 воды и песчано-глинистых отложений.

Формирование полостей начинается во фреатической зоне. В зависимости от интенсивности развития трещинноватости от точки поглощения поверхностного водотока (пещера- или шахта-понор) до пещеры-источника вода движется по-разному. Согласно батифреатической теории, полностью обводнённые каналы, в которых вода находится под гидростатическим давлением, закладываются на большой глубине (может достигать 300 м). Согласно мелкой фреатической теории, они закладываются ближе к поверхности, причём в верхних коленах сифонов могут формироваться воздушные 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 и уровенная), 4 - уровенная, 5 - инфлюационная и переточная, 6 - инфлюационная. Тонкими линиями показана сеть первичных (спелеоинициирующих) трещин, жирными - вода

Но формирование пещер возможно и в вадозной зоне. В зависимости от особенностей питания здесь могут формироваться вертикальные и субгоризонтальные полости. Подземные водотоки при этом подчиняются тем же закономерностям, что и поверхностные: днища внутренних колодцев и шахт стремятся достичь профиля равновесия. Чем протяжённее субгоризонтальные части полости между двумя колодцами, тем глубже может быть второй из них. Часто наблюдается также попятное (регрессивное) отступание подземного потока с осушением горизонтальных и 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

При сопоставлении всех этих случаев с рисунком реальных карстовых систем выясняется, что последние формируются при взаимном наложении разных схем развития. Их многообразие зависит от трёх основных групп факторов: геологических, гидрогеологических и палеогеографических.

Геологические факторы - это тип карстующейся породы, особенности её строения и залегания. Она может быть слоистой или неслоистой, более или менее трещиноватой, залегающей горизонтально, наклонно или вертикально, разбитой на блоки или смятой в складки. Каждый из этих случаев и их комбинации определяют рисунок сети полостей, особенности их морфологии. Некоторые полости следуют рельефу подстилающего водоупора; другие заложены в отдельных пластинах горных пород, надвинутых друг на друга; третьи как бы «обходят» центральную часть куполовидной, брахиантиклинальной структуры.

Гидрогеологические факторы определяются особенностями питания подземных вод, которое может быть постоянным и периодическим, инфильтрационным и инфлюационным, сосредоточенным (поглощение в одном поноре) или рассредоточенным (поглощение по длине реки) и пр. Внутри массива вода образует свободные и напорные потоки; её движение может быть 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 формам на 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: меняются условия образования отдельных форм, они накладываются друг на друга, заполняются отложениями и вновь промываются. Типичная ситуация - обнаружение форм, проработанных некогда во фреатической зоне, в сегодняшней вадозной зоне. С каждым этапом врезания рек или поднятия горного массива связаны свои системы пещерных галерей, которые закладываются во фреатической зоне, но затем переходят во всё увеличивающуюся в мощности вадозную зону. При размыве некарстующихся отложений на поверхности формируются новые пункты поглощения, и древние фреатические каналы соединяются с ними вадозными колодцами. Следующий этап врезания ещё больше осложняет картину: в карстовом массиве появляются элементы трёх возрастов, наложенные друг на друга. Кроме отрицательных, деструктивных форм здесь возникают формы положительные, связанные с аккумуляцией разных типов.

В шарообразных пещерах, образованных термальными карстовыми водами, наблюдается изменение строения вмещающих известняков и особые формы минералов, покрывающих стены (арагонит, барит, исландский шпат). Часто «аномальные» по форме пещеры расположены рядом с крупными кальцитовыми жилами. При изучении жильного кальцита в нём были обнаружены пустоты с жидкостью, в которой плавают пузырьки газа. Для определения температуры образования кристалла шлиф помещают под микроскоп, подводят к шлифу термопару и нагревают его до тех пор, пока пузырёк газа не растворится в жидкости. Дополнительные исследования (изучение концентрации и состава жидкой фазы, газового состава и пр.) дают информацию об условиях образования минерала.

В горнорудных карстовых районах возможны два механизма образования шаровых структур. Первый - субаквальный, когда полость возникает за счёт восходящего потока термальных вод. Второй - субаэральный, когда с поверхности горячих вод происходит испарение, а конденсат, образующийся на стенах трещины, стекает вниз, постепенно преобразуя её в сферу (причём конденсация таких паров происходит с выделением тепла). Теоретическое моделирование показало, что шаровидная полость диаметром 1,5 м при температуре конденсата 60-20?С может образоваться за 17-85 тыс. лет.

Формирование абразионных полостей обусловлено деятельностью морских и озёрных вод. При формировании коррозионно-абразионных систем некоторые из них являются низшими звеньями коррозионно-эрозионных полостей (пещерами-источниками), возникшими в зоне смешения пресных наземных и солёных морских вод и подтопленными морем. Если подтоплены два нижних выхода, то за счёт инжекции (эффект пульверизатора) через верхний вход подсасывается солёная вода, а из нижнего выходит солоноватая смесь. Если верхний вход находится над уровнем моря, то при достаточно высоких расходах карстовых вод солёная вода засасывается через нижний вход, солоноватая выходит через верхний. Такие системы часто имеют большие размеры.

1.2 Стадии развития карстовых пещер

Таким образом, пещерные полости могут развиваться в зоне аэрации (зоне вертикальной циркуляции вод), но большие карстовые пещеры зародились в основном при полном заполнении пещерных каналов подземными водами (зоне полного насыщения), и вода в них циркулировала под гидростатическим давлением. Различают ряд стадий их развития, относящихся к эпохам полного или частичного заполнения водой - напорной эпохе и безнапорной. Л.И. Маруашвили (1970) выделил семь стадий: три - в безнапорной эпохе эволюции (трещинная, щелевая, каналовая) и четыре - в безнапорной (воклюзовая, водно-галерейная, сухо-галерейная, гротокамерная).

В зонах вертикальной нисходящей циркуляции образуются вертикальные пещеры - карстовые колодцы и шахты с расширениями в виде гротов, в зонах горизонтальной циркуляции и переходных (в складчатых горных сооружениях) - горизонтальные пещеры (в результате растворяющей, размывающей, выносящей деятельности карстовых вод и подземных обвалов). Наклонные участки пещер обычно образуются по поверхностям напластования.

Стадии: I, II - трещинная и щелевая, III - каналовая, IV - воклюзовая, V - натечно-осыпная, VI - обвально-цементационная, VII - двухъярусная. Прерывистой линией со стрелками показана трещинная стадия, линиями - щелевая.

Вода, находящаяся в зоне горизонтальной циркуляции, перемещаясь по трещинам в карстующихся породах, расширяет их растворением и размыванием. Первая стадия образования пещер - трещинная. Постепенно из трещин образуются щели различной ширины - щелевая стадия (рис. 9,І, ІІ). По мере увеличения ширины трещин всё большее количество карстовых вод устремляется в них.

Рис. 9. Схема развития многоэтажных пещер

Карстующиеся горные породы неоднородны и на разных участках щели растут с разной быстротой. Наибольший рост наблюдается там, где имеются самые чистые разности карстующихся пород. Наличие нерастворимого остатка в виде частиц глины и песчинок замедляет карстование.

В более широких щелях вода встречает наименьшее сопротивление в виде трения о стенки. Турбулентное движение здесь происходит быстрее, и всё большая масса воды устремляется в них из трещин меньших размеров. Так постепенно некоторые системы сообщающихся трещин, направление которых совпадает с направлением подземного стока карстовых вод, развиваются быстрее и стягивают всё большее количество воды. За счёт турбулентного движения карстовых вод из щелей путём расширения коррозией и эрозией возникают каналы различного поперечного сечения. Иногда каналы имеют вид эллипса, но чаще их очертания неправильны. Это - каналовая стадия.

Первоначально поток карстовых вод занимает всё поперечное сечение каналов. Постепенно, по мере увеличения размеров этих каналов, вначале на отдельных участках, а затем и на большой части протяжения, карстовых вод периодически уже недостаточно, чтобы занять 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-осеннее время, летом во время дождей канал заполнен напорной водой.

Стекающая по каналу вода попадает либо в подрусловые (поддолинные) пустоты, либо в отложения в русле реки. Когда район, где находятся подземные карстовые каналы, за счёт движения земной коры начинает подниматься, река будет всё глубже врезаться в своё дно. Наступит момент, когда транзитная река вскроет карстовый канал. Текущие по нему воды получат выход на дно реки или по её берегу. Появится карстовый источник. Подземная река, которая течёт по каналу, приносит большие массы воды - м³/с. Такие источники называют воклюзскими или исполиновыми. Это - воклюзовая стадия.

Подземный канал не всё время занят пещерной рекой, вытекающей в виде исполинового источника. Если поднятие карстового района продолжается, то выход источника становится всё выше над уровнем воды в реке, в долине которой он вытекает. Поток карстовых вод размывает дно подземного канала. Всё большее количество воды начинает уходить по трещинам вглубь, где на более низком уровне трещины превращаются в щели, а затем в каналы. Образуется вначале пещера с рекой, затем пещера с подземными озёрами и, наконец, сухая пещера, где только после дождей в некоторых местах со сводов капает вода. Воклюзовая стадия сменяется натечно-осыпной. Когда по пещере ещё течёт река, в ней развиваются натечные образования - сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, оолиты и др. При переходе из речной в озёрную стадию по берегам водоёмов может образоваться кальцитовое обрамление, а на выступах дна - кальцитовые кружева. Кроме подземной натечной аккумуляции, происходит обрушение сводов пещер. Образуются каменные осыпи, а под органными трубами могут возникнуть и земляные. В пещере накапливается и материал другого происхождения.

Натечно-осыпная стадия сменяется обвально-цементационной. При неглубоком залегании пещеры возможно её вскрытие путём провалов потолка. Могут возникнуть карстовые окна, тоннели, мосты, арки. При более глубоком залегании происходят только обвалы сводов, обломки цементируются кальцитом (или гипсом). Новое поднятие района пещеры и возобновление глубинной эрозии приведёт к появлению ещё одного этажа и т.д. Поднятия чередуются с остановками и опусканиями - вырабатываются этажи и происходит синхронная боковая эрозия рек с образованием аккумулятивного комплекса террас.

В древних верхних 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, поступающей в древние пещерные ходы с поверхности, происходит вынос накопившихся глинистых и других отложений. Если эти глинистые отложения были покрыты сверху кальцитовым натечным покровом, то при выносе песчано-глинистого материала водой у стен пещер можно наблюдать прикреплённые кальцитовые щиты. Эти натечные образования повисли в воздухе, так как подстилавшие их наносы вынесены пещерным потоком.

1.3 Морфология карстовых пещер

Сквозные пещеры имеют два и более входов. Некоторые представляют собой карстовые тоннели. Небольшие, слепо оканчивающиеся пещеры из одного или небольшого числа гротов называют мешкообразными. Пещеры, состоящие из коридора с несколькими небольшими расширениями в виде гротов, называют коридорными. В зависимости от того, как идёт этот единственный вход, их делят на линейные и прямоугольные. Линейные пещеры представляют собой прямую галерею, в прямоугольных пещерах единственная галерея коленообразная. Она состоит из участков, расположенных почти под прямым углом. Линейные пещеры образуются в результате расширения карстовыми водами одной системы трещин, а прямоугольные - двух почти перпендикулярных систем трещин. Перистые пещеры характеризуются соответствующим расположением ходов. Решётчатые пещеры имеют сложную разветвлённую сеть многочисленных галерей, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, и в плане напоминают решётку. Как уже было сказано, пещеры могут иметь несколько этажей.

Помимо проходов и гротов, развитых в зоне горизонтальной циркуляции, в пещере имеются органные трубы или камины, образовавшиеся в зоне вертикального нисходящего движения карстовых вод. Эти слепые колодцы представляют собой либо продолжение понор на дне карстовых воронок, либо находятся между этажами пещер.

В пещерах, начиная с каналовой стадии, вначале под давлением, а затем и при его отсутствии, карстовые воды выщелачивают потолок, пол и стены подземных пустот - образуются подземные карры. Разнообразны подземные формы выщелачивания гипса и ангидрита - «люстры» и др. скульптурные формы. Н.К. Тихомиров (1934) выделяет для такого карста несколько форм подземных карр.

В пещерах преобладают низкие положительные температуры. Температура воздуха пещер зависит от аэротермической ступени. Чем выше находится пещера, тем ниже температура. На одних и тех же высотах, но разных широтах температура разная (чем севернее, тем она ниже). В пещерах наблюдается различная влажность воздуха (сухие и влажные пещеры). В пещерах, куда просачивается вода (особенно при низких температурах), относительная влажность может достигать 100%. Воздух в карстовых массивах находится в движении. Одни отверстия расположены ниже, другие выше. За счёт разности уровней и разницы температур наружного и внутреннего воздуха происходит его движение. Летом холодный воздух выходит из нижних отверстий наружу, а через верхние засасывается тёплый. Зимой наблюдается циркуляция в обратном направлении.

В карстовых областях, при наличии магистральных речных артерий, в склонах долин наблюдаются слабо наклонные, почти горизонтальные карстовые пещеры. Они образуются в местах концентрации карстовых вод, движущихся горизонтально в виде потока к дренирующей артерии. При этом горизонтальные пещеры формируются главным образом тогда, когда вертикальные движения земной коры замедлены или почти отсутствуют. В этом случае горизонтальный поток карстовых вод успевает выработать подземные полости. Значительную роль играет здесь растворимость пород. Наиболее длительное 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 их природы, так и от природы растворителя. Изменения термодинамических условий, происходящие в верхней зоне литосферы, оказывают существенное влияние на растворяющую способность водных растворов; в меньшей степени это влияние распространяется на те свойства кристаллических веществ, с которыми связана их растворимость. Растворимость связана с энергией решётки кристаллов, причём эта связь имеет общий характер обратной зависимости. Снижение растворимости происходит в ряду: NaCl - CaSO₄ - CaSO₄·2H₂O - CaСO₃ - доломит. Однако в силу различных причин может происходить его перестройка, что характерно для соединений с близкими значениями энергии решёток.

1.4 Карстовые колодцы, шахты и пропасти

Вертикальные колодцеобразные каналы с поперечником более 1 м относят к карстовым колодцам. В поперечном сечении они бывают круглыми, овальными, многоугольными и др. Колодцы - формы, связанные с зоной вертикальной нисходящей циркуляции карстовых 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 выщелачивания известняков и гипсов, эрозии и, частично, обрушения подмытых выступов на стенках. Колодец может кончаться несколькими трещинами, иногда - расширением (гротом, тогда это уже простейшая вертикальная пещера). Многие колодцы, особенно в гипсах, превращаются в воронки. Существуют коррозионные карстовые колодцы (образующиеся из понор) и провальные.

Карстовые шахты обычно образуются в зоне вертикальной нисходящей циркуляции из колодцеобразных понор и колодцев. Поднятие страны сопровождается углублением колодцев и возникновением шахт. В результате многократных поднятий, чередующихся с периодами замедления (или опускания), образуются карстовые шахты и вертикальные пещеры. Этапы замедления поднятия документируются в виде горизонтальных каналов былых зон горизонтальной циркуляции, отходящих от шахт. В поднимающемся карстовом массиве, где природная шахта стягивает всё большие массы поглощаемых атмосферных осадков, новые поднятия естественно сопровождаются её углублением. Чаще карстовые шахты делят на: глубочайшие - более 1000 м, очень глубокие - 1000-500, глубокие - 500-250, обычные - 250-50, неглубокие - 50-20 м. Шахты с очень расширенным устьем, имеющим поперечник в десятки метров, называются пропастями. Морфологически шахты разнообразны - с почти вертикальным стволом, со спиральным, двухствольно разветвляющиеся, многоэтажные и др. Имеются переходные формы между карстовыми шахтами и вертикальными пещерами. Обычно различают 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, - требичский тип. Требичский грот около Триеста, глубиной 321-329 м - естественная шахта и пещера, изучена в 1840-1841 гг. Линдером.

2. Провальные, возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, - бреховский тип. Встречается редко. Назван по шахте в районе с. Брехово Пермской области.

3. Провальные, возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, - пятигорский тип. 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 является расширенной.

Из более чем трёх тысяч карстовых шахт и вертикальных пещер, по мнению Э.А. Мартеля, большая часть принадлежит к первому типу. В их образовании основную роль играет корродирующее действие вод зоны нисходящей вертикальной циркуляции. Выходящее на дневную поверхность отверстие шахты сообщает её с наземной атмосферой. В шахте происходит подземное выветривание, которое усиливается наличием углекислоты. Отделённые трещинами выветривания участки стенок обрушаются под влиянием силы тяжести. Некоторые шахты начинаются в больших карстовых воронках.