Карст, суффозия, оползни
Основные условия развития карста. Литологические типы карста
30 тыс. км2 или 1/5 часть территории Пермского края сложена карстующимися горными породами – известняками, доломитами, гипсами, ангидритами, каменной и калийной солями. Поэтому закономерно в Перми сложилась геологическая школа изучения карста и пещер. Основателем которой явился Г.А. Максимович. Его ученики, некоторые из которых сами стали профессорами и создали свои школы и научные направления в карстоведении продолжили и продолжают изучение различных аспектов карстоведения. Это профессора И.А. Печеркин и А.И. Печеркин, заведующие кафедрами региональной геологии профессор В.Н. Быков, заведующий кафедрой динамической геологии и гидрогеологи В.Н. Катаев, профессор кафедры инженерной геологии и охраны недр В.Н. Дублянский, который недавно издал первый том учебника «Карстоведение» Общее карстоведение, 2004 г. Профессор Г.А. Максимович 1961, 1963 гг. так определил карст – это процесс химического и отчасти механического воздействия подземных и поверхностных движущихся вод на растворимые проницаемые горные породы (карбонаты, сульфаты, соли). В результате возникают поверхностные и подземные карстовые формы (скульптурные), а при выпадении из раствора и обрушении и аккумулятивные формы. Образование и разрушение подземных полостей может сопровождаться обвалами, провалами и даже местными землетрясениями.
В широком смысле карст – это сами карстовые формы и процесс их образования. Иногда в том же смысле говорят о карстовых явлениях. Карст является одним из геодинамических экзогенных процессов.
Само слово карст или красс взято по названию плато в Словении, сложенного Mz известняками и доломитами, содержащее большое количество пещер, воронок, выходы на поверхность карстовых рек и другие карстовые формы.
Четыре основные условия развития карста сформулированы Ф.П. Саваренским и Н.М. Кухаревым и описания Д.С.Соколовым в 1962 г. Г.А.Максимович в 1963 г подробно рассмотрел каждое из них:
1.Наличие растворимых (карстующихся) горных пород.
К таким породам относятся карбонаты – известняки (CaCO3) и доломиты (CaMg(CO3)2), а также мел и мрамор; cульфаты – гипс (CaSO4 . 2H2O) и ангидрит (CaSO4); каменная (NaCl) и калийная (KCl) соли.
Растворимость известняка (кальцита) CaCO3 при t=17°С равна 0,011 г/дм3; гипса CaSO4 . 2H2O) ≈ 2 г/л, соли (галита) NaCl ≈ 320 г/ дм3.
2.Водопроницаемость пород, т.е. наличие в породе трещин, пор, каверн. Трещины – основные пути движения воды в карстующихся породах. В результате растворения стенок трещин, часто на их пересечении образуются подземные формы карста, от мелких полостей до крупных пещер. Трещины в породах возникают на всех стадиях формирования и существования пород – седиментогенеза, диагенеза, тектогенеза и гипергенеза. В горных районах отдельные крупные трещины или разломы могут прослеживаться на сотни и тысячи метров.
3.Наличие движущейся воды. Дождевые и талые воды поглощаются трещинами и движутся в толще пород вниз под действием силы тяжести. По мере углубления трещиноватость уменьшается и вода накапливается на менее проницаемых породах в виде водоносного карстового горизонта. Вода постоянно движется в толще пород. Карстовые воды выходят на поверхность в виде родников или питая реки, могут выходить в виде подземных источников на дне морей (подробно движение воды в карстовом массиве будет рассмотрено позднее).
4.Способность воды растворять породу, т.е. растворяющая способность. Она зависит от температуры, содержания в воде солей, газов, их состава. Растворимость зависит от многих факторов – температуры, давления, состава растворителя (в данном случае минерализации воды). Например, на растворимость CaCO3 большое влияние оказывает наличие в воде углекислоты - CO3. Соотношение расворимости гипса и ангидрита меняется с увеличением температуры. Ниже 42 °С растворимость ангидрита выше и наоборот. Растворимость сульфатов в целом выше, чем карбонатов, поэтому подземные воды насыщаются сульфатами быстрее и теряют свою растворяющую способность. Растворимость солей возрастает с увеличением температуры и давления, она значительно выше, чем в карбонатах и сульфатах.
Карстовый процесс становится активнее в зонах крупных нарушений, где происходит смешение вод разного химического и газового состава в местах разгрузки глубинных хлоридно-натриевых или сульфатно-натриевых и термальных углекислых вод (для карбонатного карста) на контактах пород различного литологического состава.
Карстовые формы. Морфология карста
Морфология карста зависит от литологии карстующихся пород, структурно-геоморфологических условий (горный, равнинный), климата, типа (голый, задернованный, покрытый), возраста (современный, древний).
Каждому типу карста присущи определенные поверхностные и подземные формы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.
Карры – это различного рода углубления (ложбинки), разделенные выступами (гребешками) высотой обычно не более 2 м. Карры характерны для известняков, отмечены в гипсах и солях, но не свойственны отложениям доломитов и мела. Распространены в горных районах с карбонатными породами – Крым, Кавказ, Альпы, где известняки выходят на поверхность. Реже карры возникают при выходе на поверхность гипсов. Они не характерны для равнинных территорий, где карстующиеся породы обычно покрыты песчаными и глинистыми отложениями. Это микро- и реже мезоформы.
При расширении карровых углублений или трещин в породах появляются поноры.
Поноры – это узкие вертикальные каналы с диаметром входного отверстия до 0,5 м, реже – 1 м. Часто поноры располагаются на дне воронок; иногда в руслах рек. Они могут быть заполнены крупнообломочными продуктами выветривания и аллювием. Через поноры атмосферные осадки, временные и постоянные потоки проникают вглубь пород.
Карстовые воронки – блюдцеобразные, чашеобразные, конусообразные, цилиндрические понижения диаметром до 100 м и глубиной до 25 м. По диаметру выделяются небольшие < 5 м, обычные (очень распространенные) 5-25 м, большие 25-50 м, очень большие > 50 м. По глубине – мелкие < 1 м; обычные 1-5 м; глубокие 5-10 м; очень глубокие > 10 м. В отдельных районах, например в Иренском карстовом районе, на участке трассы МГ в 1997 г. мы наблюдали 2740 шт. на 1 км2(Ясыльский карстовый участок). По генезису выделяют: коррозионные, корозионно-эрозионные, коррозионно-суффозионные, провальные.
Рис. 25. Поле карстовых воронок в Кунгурском районе Пермского края (фото Л.И. Вейсмана)
Карстовые колодцы – это вертикальные колодцеобразные каналы с поперечником от 1-3 до 5 м и глубиной до 20 м. Колодцы приурочены к верхней наиболее трещиноватой части массива, зоне интенсивного выветривания.
Карстовые котловины – понижения с поперечником от 100-200 м до 1-3 км и глубиной более 5-10 м. Форма их в плане обычно вытянутая и сложная, склоны и дно обычно осложнены воронками и понорами, в некоторых из них поглощаются небольшие реки и временные водотоки. К.Г. Бутырина установила связь между плотностью воронок и количеством котловин в Полазненском (Шалашнинском) карстовом районе Пермского края. Для котловин характерно поглощение поверхностного стока. Во влажном климате они могут заболачиваться.
Карстовые рвы – это сильно вытянутые углубления с неровным дном, осложненные понорами и воронками. Они располагаются обычно в верхних частях склонов, в суходолах и древних речных долинах. В Предуралье изучались В.С. Лукиным и К.Г. Бутыриной.
Карстовые депрессии с поперечником от 1-3 до 10 м отличаются от котловин тем, что в их формировании большую роль играют эрозионные процессы. Они характерны для гипсово-ангидритового карста. Озёрными депрессиями являются Демидковская, Дикоозёрская Дикоозёрская имеет длину 4 км, ширину 1,8 м, глубину 90 м. В ней имеются 8 озер с пресной водой (Кишертский карстовый район).
Полья. Наиболее крупными отрицательными формами карстовых областей являются полья. Под южно-славянским названием «полья» подразумеваются обширные, замкнутые котловины с плоским дном. Распространены на Балканах, в Динарах, на острове Ямайка и др. наиболее обстоятельная классификация польев разработана И.Гамсом. По определения Г.А. Максимовича, полья – обширные, продолговатые, замкнутые впадины карстовых областей, обладающие ровным дном и крутыми, иногда отвесными стенками. Форма в плане различна – от сильно вытянутой в длину до овальной и круглой. Длина больше ширины в 2-3, а иногда и в 10-20 и 30 раз. Площадь меняется от 2-3 до 400 км2. Классические полья - на территории бывшей Югославии. Иногда на польях встречаются карстовые останцы – хумы.
Карстовые останцы или останцовый и башенный тип карста характерен для влажных тропиков и субтропиков, например, в Гуилине (юго-западный Китай), во Вьетнаме.
Карстовые шахты. В спелеологии нет единого понимания термина «шахта». В.Н. Дублянский относит к ним полости, у которых глубина больше 20 м и больше ширины и длины у входа. Г.А. Максимович относит к шахтам вертикальные полости глубиной более 20 м и подразделяет их на неглубокие 25-50 м – формы переходные от колодцев к шахтам; обычные 50-250 м; глубокие 250-500 м; очень глубокие 500-1000 м; глубочайшие > 1000 м. Шахты с расширенным устьем называют пропастями, а более сложной формы – вертикальными пещерами.
Г.А. Максомович по происхождению делит карстовые шахты на два основных типа: 1) коррозионные, образованные в основном в результате растворения; 2) провальные, формирующиеся в следствие обрушения сводов полостей. Самая глубокая карстовая шахта:
пещера Крубера, кавказ - около 1823 м;
Пещеры – наклонные и горизонтальные подземные полости. Определений пещеры очень много. Остановимся на таком: естественная полость, доступная для проникновения человека, имеющая длину (L) больше, чем высоту (h) и ширину (m), т.е. два других измерения. Самые протяженные пещеры мира:
– Мамонтова (система из трех пещер, Флинт, Ридж, и Мамонтовой) в известняках, США, Кентукки - ≈ 570 км.
- Оптимистическая (Украина, Подолия) – 218 км.
- Джоэл, США – 204,6 км.
В России самые протяженные пещеры:
1) Большая Орешная (Восточные Саяны) – 58 км.
2) Ботовская (Центральная Сибирь) – 57,3 км.
3) Ящик Пандоры - >10,1 км.
В Пермском крае:
1) Дивья – 9,7 км.
2) Кизеловская (Виашерская) – 7,3 км.
3) Кунгурская – 5,7 км, но по объему подземного пространства – 206 тыс. м3. Кунгурская пещера превосходит многие пещеры Мира.
Рис. 25. Большое подземное озеро в гроте Дружбы народов – самое крупное озеро в Кунгурской пещере (фото Л.И. Вейсмана)
Рис.25.4. Причудливый ход в пещере Виашерская. (фото С.В. Валуйского)
Рис.25. План и профиль пещеры Мариинская по С.В. Валуйскому, В.В. Родионову 2008 (Кизеловский район Пермского края)
Гроты в пещере Мариинская: 1) – Губахинский, 2) – Гуровый, 3) – Лагерный, 4 – Комарова, 5 – Перемычка, 6 – Ледяных образований, 7 – Забытый, 8 – Малого ледника, 9 – Большого ледника, 10 – Озёрный, 11- Труда, 12 – Летучих мышей, 13 – Щель, 14 – Слободсковой, 15 – Каменного молока, 16 – Медвежий, 17 – Глыба, 18 – Жемчужный, 19 – Кольцо, 20 – Каменной реки, 21 – Галерея чудес, 22 – Органный, 23 – Сталактитов, 24 – Главный, 25 – Эстрадный, 26 – Смирнова, 27 – Галерея гуров.
Пещерные отложения
Отложения пещер Д.С. Соколов и Г.А. Максимович подразделяют на: 1) остаточные отложения – элювиальная или пещерная глина; 2) обвальные отложения – глыбы и другие обломочные продукты обрушения сводов пещер; 3) водные механические осадки – отложения пещерных рек, озёр, а также отложения принесённые в пещеру сверху через трещины, карстовые поноры, колодцы; 4) водные хемогенные отложения – натечные образования (сталактиты, сталагмиты, колоны, покровная кора
и т.д.), кальцитовые образования в пещерных озёрах (гуры, оолиты, пизолиты, конкреции, оторочки на сталагмитах, плёнки и др.), кристаллы автохтонных минералах (кальцита, арагонита, гипса, галита); 5) пещерный лёд – атмогенный (снег, кристаллы), гидрогенный (сталактиты, сталагмиты, колоны, покровный лёд на полу, лёд озёр), гетерогенный – кора обледенения, покровный лёд на полу; 6) Органогенные отложения – гуано, скопления костей, костяная брекчия, фосфориты, селитра и др;
7) гидротермальные и другие аллохтонные отложения – сульфиды (пирит, марказит, галенит, сфалерит), барит и др. минералы; 8) антропогенные отложения культурного слоя пещер.
Рис.25.1 Различные натёчные карбонатные образования в пещере Геологов-2 (фото В.В. Родионов)
Рис.25.2 Обобщённая схема пещерных отложений по К.А. Горбуновой: 1) – глыбы, 2) - песчанно-глинистые отложения, 3) – сталактиты-брчки («гусиные перья»), 4) – сталактиты с различными утолщениями и развитвлениями, 5) - луковицеобразные сталактиты, 6) – геликтиты, 7) – бахрома и зановеси, 8) – конусообразные сталактиты, 9) – ребристые сталактиты, 10) – сталагмиты-палки, 11) – различные формы сталагмитов, 12) – сложный сталагмит («пагода»), 13) –столбы и колоны (сталагнаты), 14) - сталагмит-подсвечник, 15) – кальцитовые плотинки озера (гуры), 16) - озерко с кальцитовыми выростами и наростами на дне, 17) – пещерный жемчуг.
Рис.25. Ледяные сталактиты, сталагмиты, сталагнаты в Кунгурской пещере (фото Л.И. Вейсмана)
Рис. 25.. Сталагмит «Пагода» пещера Чудесница (фото Ю.М. Слотина)
) 
Рис 25.. Сталактиты и натёчная кора. Пещера Чудесница (фото Ю.М. Слотина)