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