Образование и развитие пещер




Карстовые пещеры — это подземные полости, образовав­шиеся в толще земной коры, в районах распространения легкорастворимых карбонатных и галогенных горных по­род. Подвергаясь выщелачиванию и механическому воз­действию, эти породы постепенно разрушаются, что при­водит к образованию различных карстовых форм. Среди них наибольший интерес вызывают подземные карстовые формы — пещеры, шахты и колодцы, характеризующиеся иногда весьма сложным строением. Одним из основных условий развития карстовых пе­щер является наличие карстующихся горных пород, от­личающихся значительным литологическим разнообрази­ем. Среди них выделяются карбонатные породы (извест­няки, доломиты, писчий мел, мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты) и галоидные (каменная, калийная соли). Карстующиеся породы имеют весьма широкое рас­пространение. Во многих местах они перекрываются ма­ломощным чехлом песчано-глинистых отложений или не­посредственно выходят на поверхность, что благоприят­ствует активному развитию карстовых процессов и обра­зованию различных карстовых форм. На интенсивность карстообразования значительное влияние оказывает также мощность пород, их химический состав и особенности залегания. Как уже говорилось, строителем карстовых пещер яв­ляется вода. Однако чтобы вода могла растворять гор­ные породы, они должны быть водопроницаемы, т. е. трещиноваты. Трещиноватость пород является одним из основных условий развития карста. Если карбонатный или сульфатный массив монолитен и состоит из твердых раз­ностей пород, лишенных трещиноватости, то он не под­вергается воздействию карстовых процессов. Однако такое явление встречается редко, так как известняки, доломиты и гипсы трещиноваты по своей природе. Трещины, рассе­кающие известняковые массивы, имеют различное проис­хождение. Выделяют трещины литогенетические, текто­нические, механической разгрузки и выветривания. Наи­более распространены тектонические трещины, которые обычно секут различные слои осадочных пород, не пре­ломляясь при переходе из одного слоя в другой и не меняя своей ширины. Тектоническая трещиноватость от­личается развитием сложных взаимно перпендикулярных трещин шириной 1—2 мм. Наибольшей раздробленностью и трещиноватостью горные породы характеризуются в зонах тектонических нарушений. Выпадая на поверхность карстующегося массива, ат­мосферные осадки по трещинам различного происхожде­ния проникают в глубь этого массива. Циркулируя по подземным каналам, вода выщелачивает горную породу, постепенно расширяет подземные проходы и образует иногда громадные гроты. Движущаяся вода является третьим обязательным условием развития карстовых про­цессов. Без воды, растворяющей и разрушающей горные породы, не было бы карстовых пещер. Вот почему осо­бенности гидрографической сети и своеобразие гидрогео­логического режима в значительной мере определяют степень кавернозности карстующихся толщ, интенсивность процессов выщелачивания и условия развития подземных полостей. Основную роль в формировании многих карстовых полостей играют инфильтрационные и инфлюационные дождевые и талые снеговые воды. Такие пещеры — корро­зионно-эрозионного происхождения, поскольку разрушение породы происходит как за счет ее химического выщела­чивания, так и путем механического размыва. Однако не следует думать, что эти процессы протекают одновре­менно и непрерывно. На разных стадиях развития пе­щер и на разных их участках доминирует обычно один из указанных процессов. Образование некоторых пещер целиком связано или с коррозионными, или с эрозионны­ми процессами. Встречаются также нивально-коррозионные пещеры, своим происхождением обязанные деятель­ности талых снеговых вод в зоне контакта снежной тол­щи с карстующейся породой. К ним относятся, например, сравнительно неглубокие (до 70 м) вертикальные поло­сти Крыма и Кавказа. Многие пещеры возникли в результате обвала кровли над подземными коррозионно-эро­зионными пустотами. Некоторые естественные полости образовались путем выщелачивания горных пород восходя­щими по трещинам артезианскими, минеральными и тер­мальными водами. Таким образом, карстовые пещеры мо­гут иметь коррозионное, коррозионно-эрозионное, эрозион­ное, нивально-коррозионное, коррозионно-гравитационное (провальное), гидротермальное и гетерогенное происхож­дение. Помимо инфильтрационных, инфлюационных и напор­ных вод в образовании пещер определенную роль иг­рают также конденсационные воды, которые, собираясь на стенках и потолке пещер, разъедают их, создавая при­чудливые узоры. В отличие от подземных ручьев кон­денсационные воды воздействуют на всю поверхность полости, в связи с чем оказывают наибольшее влияние на морфологию пещер. Особенно благоприятными усло­виями для конденсации влаги характеризуются неболь­шие полости, расположенные на значительной глубине от поверхности, поскольку количество конденсационной вла­ги находится в прямой зависимости от интенсивности воздухообмена и в обратной от объема полости. Наблю­дения, проведенные в Горном Крыму, показали, что в исследованных карстовых пещерах в течение года кон­денсируется 3201,6 м3 воды (Дублянский, Илюхин, 1971), а в подземных полостях всей главной гряды в 2500 раз больше (т. е. 0,008004 км3). Эти воды отли­чаются большой агрессивностью. Жесткость их превышает 6 мг-экв (300 мг/л). Таким образом, за счет инфильтра­ционных вод пещеры Горного Крыма, как показывают не­сложные расчеты, увеличиваются по сравнению с общим объемом примерно на 5,3%. Средняя минерализация кон­денсационных вод около 300 мг/л, следовательно, они выносят в течение года 2401,2 т (8004•106л X 300 мг/л) углекислого кальция. Суммарный вынос карбоната каль­ция карстовыми источниками Горного Крыма составляет около 45 000 т/год (Родионов, 1958). Следовательно, роль конденсационных вод в формировании подземных поло­стей сравнительно невелика, причем воздействие их на горную породу как агента денудации ограничивается в основном теплым периодом. Как же идет процесс выщелачивания карстующихся пород? Рассмотрим этот вопрос в общем плане на примере карбонатных образований. Природные воды всегда со­держат углекислоту, а также различные органические кислоты, которыми они обогащаются при контакте с рас­тительностью и просачивании через почвенный покров. Под действием углекислоты карбонат кальция переходит в бикарбонат, который значительно легче растворяется в воде, чем карбонат

Эта реакция обратима. Увеличение содержания углеки­слоты в воде вызывает переход кальцита в раствор, а при уменьшении ее происходит выпадение из водного раство­ра бикарбоната кальция (известкового осадка), который накапливается в некоторых местах в значительном коли­честве. Между содержанием углекислоты и температурой воды существует обратная связь. Резко возрастает растворимость известняков, когда под­земные воды обогащены кислотами и солями. Так, при обогащении подземных вод серной кислотой реакция идет по уравнению

Выделившаяся в результате этой реакции углекисло­та оказывается дополнительным источником образования гидрокарбонатов. Степень растворимости гипса и ангидрита также зави­сит от наличия тех или иных кислот и солей. Так, на­пример, присутствие в воде СаCl2 значительно снижает растворимость гипса, напротив, наличие в воде NCl и MgCl2 увеличивает растворимость сульфата кальция. Рас­творение гипса в принципе может происходить и в хими­чески чистой воде. Хотя мы и называем карбонатные и сульфатные по­роды легкорастворимыми, однако растворяются они чрез­вычайно медленно. Для образования подземных пустот требуются многие и многие тысячи лет. При этом карстующиеся породы растворяются и разрушаются только по трещинам, вне трещин они остаются по-прежнему очень прочными и твердыми. Проникающие в карстовые массивы по трещинам и тектоническим нарушениям атмосферные воды харак­теризуются сначала преимущественно вертикальным дви­жением. Достигнув водоупора или местного базиса эрозии, они приобретают горизонтальное движение и текут обычно по падению пластов горных пород. Часть воды просачивается в глубокие горизонты и формирует регио­нальный сток. В этой связи в карстующемся массиве выделяется несколько гидродинамических зон, а именно — зона поверхностной, вертикальной, сезонной, горизонталь­ной, сифонной и глубинной циркуляции карстовых вод (рис. 1). Каждая из указанных гидродинамических зон характеризуется определенным набором карстовых форм. Так, к зоне вертикальной циркуляции вод или к зоне аэрации приурочены в основном вертикальные подземные полости — карстовые колодцы и шахты. Они развиваются вдоль вертикальных или пологонаклонных трещин в ре­зультате периодического выщелачивания горных пород талыми снеговыми и дождевыми водами. В зоне горизон­тальной циркуляции, где происходит свободный сток без­напорных вод к речным долинам или периферии карстующегося массива, формируются горизонтальные пещеры. Наклонные и горизонтальные полости отмечаются в зоне сифонной циркуляции, характеризующейся напорными во­дами,

которые движутся в подрусловых каналах нередко ниже местного базиса эрозии. Схема гидродинамических зон карстового массива

На развитие пещер, кроме морфоструктурных и гид­рогеологических особенностей, существенно влияют также климат, почвы, растительность, животный мир, а также хозяйственная деятельность человека. К сожалению, роль этих факторов в пещерообразовании изучена в настоящее время далеко не достаточно. Хочется надеяться, что этот пробел в ближайшем будущем будет ликвидирован. Теория происхождения известняковых карстовых пе­щер, развивающихся в породах с горизонтальным залега­нием слоев, была разработана У. М. Девисом (1930). В эволюции так называемых двуцикловых пещер, обра­зовавшихся при двукратном поднятии известнякового мас­сива, он различал пять основных этапов: а) зачаточные каналы, формирующиеся в зоне полного насыщения мед­ленно движущихся фреатических вод, находящихся под давлением; б) зрелые галереи, когда в условиях распро­странения безнапорных вадозных потоков начинает доми­нировать механический размыв (корразия); в) сухие га­лереи, возникшие в результате ухода воды в глубь мас­сива вследствие местного поднятия территория; г) натеч­но-аккумулятивная, характеризующаяся заполнением галерей натечно-капельными и другими пещерными от­ложениями; д) разрушение подземных галерей (пенепле­низация). На основе развития взглядов Девиса было создано представление о фреатической (пещерные галереи разра­батываются грунтовыми водами, находящимися под давле­нием) и вадозной (подземные воды свободно, не под на­пором, движутся по галереям в сторону дренирующих систем) стадиях развития пещер (Бретц, 1942). Наиболее полно вопросы эволюции подземных полос­тей разработаны советскими исследователями Г. А. Мак­симовичем (1963, 1969) и Л. И. Маруашвили (1969), которые выделили несколько стадий формирования гори­зонтальных карстовых пещер. Первая стадия — трещинная, затем щелевая. По мере увеличения ширины трещин и щелей в них проникает все большее количество воды. Это активизирует карстовые процессы особенно на участ­ках чистых разностей пород. Пещера переходит в кана­ловую стадию. При расширении каналов подземные пото­ки приобретают турбулентное движение, что благоприят­ствует еще большему усилению процессов коррозии и эро­зии. Это стадия подземной реки, или воклюзовая. Она характеризуется значительным заполнением подземного канала водным потоком и выходом его в виде воклюз­ного источника на дневную поверхность, а также обра­зованием органных труб, обвалом сводов, ростом гротов. В связи с размывом дна подземного канала вода просачивается по трещинам в глубь карбонатных и га­логенных толщ, где на более низком уровне разрабаты­вает новые полости, формируя более низкий этаж пеще­ры (рис. 2). Постепенно подземные каналы расширя­ются. Водный поток частично, а затем полностью уходит в нижние горизонты массива, и пещера становится сухой. В нее проникают по трещинам в кровле лишь инфиль­трационные воды. Это коридорно-гротовая натечно-осып­ная (водно-галерейная, по Л. И. Маруашвили) стадия развития пещеры. Она отличается широким распрост­ранением химической и механической аккумуляции (в гипсовых пещерах стадия натечной аккумуляции от­сутствует). Потолок и стены пещеры покрываются раз­нообразными кальцитовыми натеками. Образуются камен­ные и земляные «осыпи, последние располагаются пре­имущественно под органными трубами. Накапливаются также отложения рек и озер. С уходом водотока даль­нейшее увеличение подземной полости резко замедляется, хотя коррозионная деятельность продолжается за счет инфильтрационных и конденсационных вод.

 

Стадии развития пещер

По мере развития пещеры она переходит в коридор­но-гротовую обвально-цементационную (сухо-галерейную, по Л. И. Маруашвили) стадию. На этой стадии в ре­зультате обрушения кровли над подземными полостями возможно вскрытие некоторых частей пещеры. Постепен­ное обрушение свода пещеры приводит к полному ее унич­тожению, что особенно характерно для верхних частей с небольшой мощностью кровли. На уцелевших участках остаются лишь карстовые мосты и узкие арки. При полном разрушении пещеры образуется карстовая долина. Если толща кровли превышает 100—200 м, то провалов в ней, как правило, не образуется, а подземные полости заполняются обрушившимися с потолка глыбами породы и принесенными песчано-глинистыми отложениями, которые разбивают пещеру на отдельные изолированные полости. В этом случае развитие пещеры заканчивается коридор­но-гротовой обвально-цементационной стадией (грото-камерная стадия, по Л. И. Маруашвили). Продолжительность отдельных стадий пещерообразовательного цикла, отличающихся своими гидродинамиче­скими и морфологическими особенностями, спецификой физико-химических процессов и своеобразием биоклимати­ческих условий, измеряется десятками и сотнями тысячелетий. Так, сухо-галерейная стадия пещеры Кударо на Кавказе продолжается уже 200—300 тыс. лет (Маруашви­ли, 1969). Что касается ранних стадий развития пещер (трещинная, щелевая, каналовая и воклюзовая), то их продолжительность значительно короче. Пещеры «могут достигать зрелого водно-галерейного состояния за не­сколько тысячелетий от начального момента своего раз­вития». В этом отношении интересны эксперименталь­ные исследования Е. М. Абашидзе (1967) по растворению стенок трещин глауконитовых известняков Шаорского во­дохранилища (Кавказ). Опыты показали, что за 25 лет непрерывной фильтрации в зависимости от скорости по­тока волосные трещины размером 0,1—0,25 мм могут уве­личиваться до 5—23 мм.

Таким образом, карстовые пещеры характеризуются сложной эволюцией, особенности которой зависят от со­четания самых различных факторов, определяющих не­редко значительные отклонения от рассмотренной схемы. Развитие пещер в силу тех или иных причин может пре­кратиться или вновь начаться на любой морфолого-гид­рологической стадии. Сложные пещерные системы состоят обычно из участков, находящихся на разных стадиях раз­вития. Так, в Ищеевской пещере на Южном Урале в на­стоящее время встречаются участки от каналовой стадии до карстовой долины. Особенностью многих пещер является их многоярусность, причем верхние ярусы всегда значительно старше нижележащих. Количество этажей у разных пещер изме­няется от 2 до 11. Расстояние между двумя смежными уровнями много­этажных пещер колеблется от нескольких метров до не­скольких десятков. Обрушение сводов, разделяющих пе­щерные этажи, приводит к образованию гигантских гро­тов, достигающих иногда высоты 50—60 м (пещеры Крас­ная и Анакопийская). Появление нового этажа Г. А. Максимович связывает с тектоническим поднятием района, где находится пеще­ра. Н. А. Гвоздецкий основную роль в развитии много­этажных пещер в условиях большой мощности карстую­щихся пород отводит восходящим движениям, которые рассматривает не как нарушающий фактор, а как общий фон эволюции карста. По мнению Л. И. Маруашвили, многоярусность пещер может быть определена не только тектоническим поднятием карстового массива, но и общим понижением уровня океана (эвстазия), что вызывает ин­тенсивное углубление речных долин и быстрое снижение уровня горизонтальной циркуляции карстовых вод. Ярусность лучше всего выражена у пещер равнин­ных и предгорных территорий, отличающихся сравни­тельно медленными тектоническими поднятиями. В про­цессе формирования пещер иногда наблюдается смеще­ние оси пещерных галерей от первоначальной верти­кальной плоскости. Интересна в этом отношении пещера Цуцхватская. Каждый более молодой (из четырех ниж­них) ярус этой пещеры сдвинут по отношению к предыдущему к востоку, в связи с чем подземный отрезок реки Шапатагеле в настоящее время находится значительно восточнее, чем в период формирования более высоких этажей пещеры. Смещение оси пещерных галерей свя­зано с наклоном тектонических трещин, к которым при­урочены подземные полости. Каков же возраст карстовых пещер и по каким при­знакам можно судить о начале формирования пещеры? По мнению Л. И. Маруашвили, за начало формирова­ния пещеры следует принимать период перехода ее в натечно-осыпную (водно-галерейную) стадию, поскольку на более ранних стадиях своего развития пещера еще не является в обычном понимании пещерой: она плохо раз­работана, полностью заполнена водой и совершенно не­проходима. Для определения возраста пещер применяются раз­личные методы исследования, в том числе палеозоологи­ческий, археологический, радиоуглеродный и геоморфоло­гический. В последнем случае сопоставляется гипсомет­рический уровень пещер с уровнями поверхностных форм. К сожалению, многие из этих методов позволяют опре­делить лишь верхний предел возраста пещеры. Прямыми и косвенными данными доказывается весьма длитель­ное существование карстовых пещер, определяемое иног­да многими миллионами лет. Разумеется, возраст пещер в значительной мере зависит от литологического состава пород, в которых они формируются, и общей физико-географической обстановки. Однако даже в легкораство­римых сульфатных (гипс, ангидрит) образованиях пещеры сохраняются весьма длительное время. Интересны в этом отношении гипсовые пещеры Подолии, начало формиро­вания которых относится к верхнему миоцену. И. М. Гу­невский, исходя из особенностей геологического строения территории, степени трещиноватости пород, характера рельефа, морфологии подземных полостей и строения на­течных образований, выделяет следующие этапы формиро­вания подольских пещер: верхнесарматский (начало ин­тенсивной глубинной эрозии), раннеплиоценовый (харак­теризующийся интенсификацией процессов вертикального направления), позднеплиоценовый (процессы горизонталь­ной циркуляции подземных вод преобладают над верти­кальными), раннеплейстоценовый (процессы образования пещер достигают максимальной интенсивности), среднеплейстоценовый (процессы подземного карстообразования начинают затухать), позднеплейстоценовый (аккумуляция минеральных и хемогенных образований), голоценовый (аккумуляция глыбовых отложений). Таким образом, воз­раст самых крупных в мире гипсовых пещер Оптими­стической, Озерной и Крывченской в Подолии превыша­ет, по-видимому, 10 млн. лет. Возраст известняковых пещер может быть еще более значительным. Так, некото­рые древние карстовые пещеры Алайского хребта (Средняя Азия), имеющие гидротермальное происхожде­ние, по мнению 3. С. Султанова, образовались в верхне­палеозойское время, т. е. более 200 млн. лет назад. Древние пещеры встречаются, однако, сравнительно редко, сохраняясь длительное время лишь в наиболее благоприятных природных условиях. Большинство карсто­вых пещер, особенно в сильно обводненных сульфатных породах, имеет молодой, преимущественно четвертичный или даже голоценовый возраст. Разумеется, отдельные галереи сложно построенных многоярусных пещер обра­зовались в разное время и возраст их может изменять­ся в значительных пределах. Для количественной оценки карстовых полостей Г. А. Максимович (1963) предлагает два показателя: плотность и густоту карстовых пещер. Под плотностью понимается количество пещер, отнесенных к площади 1000 км2, а под густотой — общая протяженность всех по­лостей в пределах той же условной площади. Ж. Корбель предложил характеризовать величину кар­стовых пещер показателем пустотности, вычисляемым по формуле где V — объем растворимой породы, в которой развита пе­щера, в 0,1 км3; L — расстояние (на плане) между край­ними точками по основной оси системы полостей — 0,1 км; J — расстояние между двумя наиболее удаленными точка­ми по перпендикуляру к основной оси — 0,1 км; Н — раз­ница отметок между самой высокой и самой низкой точ­ками пещерной системы — 0,1 км. Для определения крупности пещер существует также и другой способ, который связан с подсчетом объема по­лостей. Если полость имеет сложную форму, то ее сле­дует представить в виде совокупности различных геометрических фигур (призмы, цилиндра, полного и усеченного конуса, полной и усеченной пирамиды с любым по форме основанием, шара и т. д), объем которых вычисляется по формуле Симпсона где v — объем геометрической фигуры, м3; h — высота фи­гуры, м; s1, s2, s3 — площади нижнего, среднего и верх­него сечения фигуры, м2. Проверка этого метода крым­скими спелеологами показала, что ошибки при подсчете объема полостей по формуле Симпсона не превышают 5-6%.

 

Пещерные отложения

Вода не только создает пещеры, но и украшает их. Хе­могенные образования, делающие пещеры удивительно красивыми и неповторимыми, крайне разнообразны. Они формируются тысячелетиями. Основную роль в их обра­зовании играют инфильтрационные воды, просачивающие­ся через толщу карбонатных пород и капающие с потол­ка карстовых пещер. В прошлом эти формы называли капельниками, причем различали «капь верхнюю» и «капь нижнюю». Впервые происхождение натечных образований было объяснено великим русским ученым М. В. Ломоносовым: «Капь верхняя подобна во всем ледяным сосулькам. Ви­сит на сводах штольны натуральных. Сквозь сосульки, коих иногда много разной длины и толщины вместе срос­лись, проходят сверху вертикальные скважины разной ши­рины, из коих горная вода каплет, долготу их наращает и производит капь нижнюю, которая растет от падаю­щих капель из верхних сосулек. Цвет капи, а особливо верхней, бывает по большей части, как и накипи, белой, сероватой; иногда, как хорошая ярь, зеленой, или совсем вохряной». Натечные образования формируются обычно после воз­никновения подземных полостей (эпигенетические) и очень редко одновременно с ними (сингенетические). По­следние в карстовых пещерах, очевидно, не наблюдаются. Хемогенные отложения пещер издавна привлекали к себе внимание исследователей. Между тем вопросы клас­сификации и типизации их до последнего времени разра­ботаны крайне слабо. Среди специальных исследований выделяется работа В. И. Степанова (1971), который под­разделяет минеральные агрегаты пещер на три типа: сталактит-сталагмитовая кора (сюда включаются продук­ты кристаллизации из свободно стекающих растворов, т. е. сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, драпировки, натеки на стенах и полу пещер), кораллиты (к этому типу относятся минеральные агрегаты, возникшие из капил­лярных водных пленок на поверхности подземных поло­стей и натечных форм) и антолиты (этот тип представ­лен скручивающимися и расщепляющимися при росте параллельно-волокнистыми агрегатами легкорастворимых минералов — гипса, галита и др.). Хотя в основу этой типи­зации положен генетический классификационный признак, теоретически она недостаточно обоснована. Наибольший интерес представляют классификации хе­могенных форм, предложенные Г. А. Максимовичем (1963) и 3. К. Тинтилозовым (1968). На основе учета этих ис­следований хемогенные образования могут быть подраз­делены на следующие основные типы: натечные, коло­морфные и кристаллитовые. Натечные образования, имеющие широкое распрост­ранение в пещерах, по форме и способу происхождения подразделяются на две большие группы: сталактитовые, образующиеся за счет известкового вещества, выделяюще­гося из капель, висящих на потолке, и сталагмитовые, формирующиеся за счет вещества, выделяющегося из упавших капель. Среди натечных сталактитовых образований выделя­ют гравитационные (тонкотрубчатые, конусообразные, пластинчатые, занавесообразные и др.) и аномальные (в основном геликтиты). Особенно интересны тонкотрубчатые сталактиты, об­разующие иногда целые кальцитовые заросли. Их фор­мирование связано с выделением карбоната кальция или галита из инфильтрационных вод. Просочившись в пе­щеру и попав в новые термодинамические условия, ин­фильтрационные воды теряют часть углекислого газа. Это приводит к выделению из насыщенного раствора коллоид­ного карбоната кальция, который отлагается вдоль пери­метра падающей с потолка капли в виде тонкого валика (Максимович, 1963). Постепенно наращиваясь, валики превращаются в цилиндр, образуя тонкотрубчатые, неред­ко прозрачные сталактиты. Внутренний диаметр труб­чатых сталактитов составляет 3—4 мм, толщина стенок обычно не превышает 1—2 мм. В отдельных случаях они достигают 2—3 и даже 4,5 м длины. Среди сталактитов наиболее распространены кону­сообразные сталактиты (рис. 3). Рост их определяется за счет вод, стекающих по тонкой полости, расположен­ной внутри сталактита, а также за счет поступления кальцитового материала по поверхности натека. Нередко внутренняя полость располагается эксцентрично (рис. 4). Из отверстия этих трубочек через каждые 2—3 мин. капа­ет прозрачная вода. Размеры конусообразных сталакти­тов, располагающихся преимущественно вдоль трещин и хорошо их индицирующих, определяются условиями по­ступления карбоната кальция и величиной подземной полости. Обычно сталактиты не превышают 0,1—0,5 м дли­ны и 0,05 м в диаметре. Иногда они могут достигать 2—3, даже 10 м длины (Анакопийская пещера) и 0,5 м в диаметре. Конусообразные сталактиты Продольный разрез верхней части сталактита Интересны сферические (луковицеобразные) сталак­титы, образующиеся в ре­зультате закупорки отвер­стия трубки. На поверхности сталактита возникают абер­рационные утолщения и узорчатые наросты. Сфериче­ские сталактиты из-за вто­ричного растворения кальция водами, поступающими в пе­щеру, нередко пустотелы. В некоторых пещерах, где наблюдается значительное движение воздуха, встре­чаются изогнутые сталакти­ты — анемолиты, ось кото­рых отклонена от вертикали. Образование анемолитов оп­ределяется испарением сви­сающих капель воды на под­ветренной стороне сталакти­та, что вызывает изгибание его в направлении движения воздушного потока. Угол из­гиба у отдельных сталакти­тов может достигать 45°. Если направление движения воздуха периодически из­меняется, то формируются зигзагообразные анемолиты. Аналогичное происхожде­ние со сталактитами имеют занавеси и драпировки, сви­сающие с потолка пещер. Они связаны с инфильтрацион­ными водами, просачивающимися вдоль длинной трещины. Некоторые занавеси, состоящие из чистого кристалличе­ского кальцита, совершенно прозрачны. В нижних частях их нередко располагаются сталактиты с тонкими трубоч­ками, на концах которых висят капельки воды. Кальци­товые натеки могут иметь вид окаменевших водопадов. Один из таких водопадов отмечен в гроте Тбилиси Ана­копийской пещеры. Высота его около 20 м, а ширина 15 м. Геликтиты — это сложно построенные эксцентрические сталактиты, входящие в подгруппу аномальных сталакти­товых образований. Они встречаются в различных частях карстовых пещер (на потолке, стенах, занавесях, ста­лактитах) и имеют самую разнообразную, нередко фан­тастическую форму: в виде изогнутой иглы, сложной спи­рали, скрученного эллипса, круга, треугольника и т. д. Игольчатые геликтиты достигают 30 мм в длину и 2— 3 мм в диаметре. Они представляют собой монокристалл, который в результате неравномерного роста меняет ори­ентацию в пространстве. Встречаются также поликри­сталлы, вросшие один в другой. В разрезе игольчатых геликтитов, растущих в основном на стенах и потолке пещер, не прослеживается центральная полость. Они бес­цветны или прозрачны, конец их заострен. Спиралеоб­разные геликтиты развиваются преимущественно на ста­лактитах, особенно тонкотрубчатых. Они состоят из мно­жества кристаллов. Внутри этих геликтитов обнаружива­ется тонкий капилляр, через который раствор достигает внешнего края агрегата. Образующиеся на концах гелик­титов капельки воды, в отличие от трубчатых и кониче­ских сталактитов, длительное время (многие часы) не от­рываются. Это определяет крайне медленный рост гелик­титов. Большинство их относится к типу сложных обра­зований, имеющих причудливо-замысловатую форму. Сложнейший механизм возникновения геликтитов в настоящее время еще недостаточно изучен. Многие ис­следователи (Н. И. Кригер, Б. Жезе, Г. Триммель) фор­мирование геликтитов связывают с закупоркой канала роста тонкотрубчатых и других сталактитов. Поступаю­щая внутрь сталактита вода проникает в трещины между кристаллами и выходит на поверхность. Так начинается рост геликтитов, обусловленный преобладанием капил­лярных сил и сил кристаллизации над силой тяжести. Капиллярность является, по-видимому, главным фактором образования сложных и спиралеобразных геликтитов, на­правление роста которых первоначально в значительной мере зависит от направления межкристаллических трещин. Ф. Чера и Л. Муча (1961) экспериментальными фи­зико-химическими исследованиями доказали возможность осаждения кальцита из воздуха пещер, что и вызывает образование геликтитов. Воздух с относительной влажностью 90—95%, перенасыщенный мельчайшими капель­ками воды с бикарбонатом кальция, оказывается аэро­золем. Выпадающие на уступы стен и кальцитовых об­разований капельки воды быстро испаряются, а карбонат кальция выпадает в виде осадка. Наибольшая скорость роста кристалла кальцита идет вдоль главной оси, обус­ловливая формирование игольчатых геликтитов. Следова­тельно, в условиях, когда дисперсионной средой является вещество, находящееся в газообразном состоянии, гелик­титы могут расти за счет диффузии растворенного ве­щества из окружающего их аэрозоля. Созданные таким путем («аэрозольный эффект») геликтиты получили на­звание «пещерного инея». Наряду с кольматажем питательного канала отдель­ных тонкотрубчатых сталактитов и «аэрозольного эффек­та» на формирование геликтитов, по мнению некоторых исследователей, влияют также гидростатическое давление карстовых вод (Л. Якуч), особенности циркуляции воз­духа (А. Вихман) и микроорганизмы. Эти положения, од­нако, недостаточно аргументированы и, как показали ис­следования последних лет, в значительной мере дискус­сионны. Таким образом, морфологические и кристалло­графические особенности эксцентричных натечных форм могут объясняться либо капиллярностью, либо влиянием аэрозоля, а также комбинацией этих двух факторов. Наибольший интерес представляют вопросы о строении сталактитов, особенностях их формирования и скорости роста. Этими вопросами занимались А. Н. Чураков (1911), Н. М. Шерстюков (1940), Г. А. Максимович (1963) и З. К. Тинтилозов (1968). Сталактиты состоят в основном из кальцита, на долю которого приходится 92—100%. Кристаллы кальцита име­ют таблитчатую, призматическую и другие формы. В про­дольном и поперечном разрезах сталактита под микроско­пом прослеживаются веретенообразные зерна кальцита длиной до 3—4 мм. Они расположены перпендикулярно к зонам нарастания сталактита. Промежутки между ве­ретенообразными зернами заполнены мелкозернистым (до 0,03 мм в диаметре) кальцитом. При сильном увеличе­нии отдельные зерна мелкозернистого кальцита обнару­живают тонкокристаллическое зернистое строение (рис.5). Иногда в них встречается значительное количество аморф­ного и глинисто-известковистого материала. Загрязнение сталактита глинистым пелитовым материалом, прослежи­вающимся в виде тонких параллельных прослоек, опре­деляет его полосчатое сложение. Полосчатость идет вкрест простирания кристаллов. Она связана с изменением со­держания примесей в поступающем растворе во время роста сталактита. Продольный разрез сталактита Скорость роста сталактитов определяется быстротой притока (частотой скапывания) и степенью насыщен­ности раствора, характером испарения и особенно пар­циальным давлением углекислого газа. Частота падения капель со сталактитов изменяется от нескольких секунд до многих часов. Иногда падения капель, висящих на концах сталактита, вообще не наблюдается. В этом слу­чае, по-видимому, вода удаляется только за счет испа­рения, что обусловливает крайне медленный рост сталак­титов. Специальные исследования, проведенные венгер­скими спелеологами, показали, что жесткость воды капель, свисающих со сталактита, больше, чем падающих, на 0,036—0,108 мг-экв. Следовательно, рост сталактита сопровождается уменьшением в воде содержания кальция и выделением углекислоты. Этими исследованиями установ­лено также значительное изменение жесткости сталак­титовых вод в течение года (до 3,6 мг-экв), причем наи­меньшая жесткость отмечается зимой, когда содержание углекислоты в воде в связи с ослаблением жизнедея­тельности микроорганизмов понижается. Естественно, это влияет на темпы роста и форму сталактитов в разные сезоны года. Особый интерес вызывают непосредственные наблюде­ния (пока немногочисленные) за скоростью роста сталак­титов. Благодаря им удалось установить, что интенсив­ность роста кальцитовых сталактитов в разных подземных полостях и в различных природных условиях, по данным Г. А. Максимовича (1965), изменяется от 0,03 до 35 мм в год. Особенно быстро растут галитовые сталактиты. В условиях притока сильно минерализованных хлоридно-натриевых вод скорость роста сталактитов на Шорсуй­ском руднике (Средняя Азия, Алайский хребет), согласно исследованиям Н. П. Юшкина (1972), изменяется от 0,001 до 0,4 мм в сутки: достигая в отдельных случаях 3,66 мм в сутки, или 1,336 м в год. Сталагмиты составляют вторую большую группу на­течных образований. Они формируются на полу карсто­вых пещер и обычно растут навстречу сталактитам. Па­дающие с потолка капли выдалбливают в отложениях пола пещер небольшую (до 0,15 м) ямку конической формы. Эта ямка постепенно заполняется кальцитом, образующим своеобразный корень, и начинается рост сталагмита вверх. Сталагмиты обычно имеют небольшие размеры. Лишь в отдельных случаях они достигают высоты 6—8 м при диаметре нижней части 1—2 м. На участках, где они со­единяются со сталактитами, возникают кальцитовые ко­лонны, или сталагнаты, самой разнообразной формы. Осо­бенно красивы узорчатые или витые колонны. В зависимости от формы сталагмиты имеют множе­ство названий. Выделяются конические сталагмиты, пагодаобразные, пальмовые, сталагмиты-палки, кораллиты (сталагмиты древовидной формы, имеющие вид коралло­вых кустов) и др. Форма сталагмитов определяется ус­ловиями их образования и прежде всего степенью обвод­ненности пещеры. Весьма оригинальны сталагмиты, имеющие вид камен­ных лилий в гроте Иверия Анакопийской пещеры. Вы­сота их достигает 0,3 м. Верхние края таких сталагмитов раскрыты, что связано с разбрызгиванием водяных капель, падающих с большой высоты, и аккумуляцией карбона­та кальция по стенкам образовавшейся ямки. Интересны сталагмиты с оторочками, напоминающие подсвечники (грот Тбилиси Анакопийской пещеры). Оторочки обра­зуются вокруг периодически затопляемых сталагмитов (Тинтилозов, 1968). Встречаются эксцентричные сталагмиты. Искривление их нередко вызывается медленным движением осыпи, на которой они формируются. Основание сталагмита в этом случае постепенно перемещается вниз, а падающие на одно и то же место капли искривляют сталагмит в на­правлении вершины осыпи. Такие сталагмиты наблюдают­ся, например, в Анако<



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-09-19 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: