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.
