Карст. Эволюция карста

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 60–20ºС 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.