Карст. Эволюция карста

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 м²). 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 м³ (1000 м² на 0, 02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Сначала она заполнила 20 трещин (по 1 м³ в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м³), затем сосредоточилась в одной (20 м³). 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.