Карстовые породы (стр. 2 из 10)

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-гравитационныхполостей 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-коррозионнымполостям 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.