Зарождение пещер

Обычно считают, что в карстовые полости-пещеры превращаются трещины, когда материал их стенок постепенно растворяется фильтрующейся водой. Но как же объяснить с этой точки зрения многие особенности строения пещер и шахт? Так шахты-поноры представляют собой, как правило, каскад колодцев, разделенных слабонаклонными галереями. В одной и той же карстовой системе в зоне нисходящей циркуляции вод могут сосуществовать вертикальные шахты и почти горизонтальные пещеры (рис. 34, а, б). Пещерные галереи многократно меняют направление - меандрируют, выходные участки карстовых систем нередко углубляются значительно ниже уровня дренирующих их рек.

Рис. 34. а - фрагменты плана и продольного разреза входной части пещеры Географическая на Кавказе, б - входной участок шахты Осенняя там же, в - схема, поясняющая различие в заложении полости при разных расстояниях между понорами и дреной

Представим себе, что понор и подземная дрена соединены вертикальной тектонической трещиной, по которой движется вода. Если бы она могла расширять эту трещину, то образовалась бы пещера с плавным продольным профилем. Наклон ее в принципе может быть любым. На деле же часто образуются каскадные шахты или пещеры, похожие на Шумиху.

Чтобы объяснить сосуществование шахт горизонтальных пещер, обратимся к рис. 35, в. На какой-то глубине в зоне горизонтальной циркуляции карстового массива есть полость. Она поглощает все поверхностные воды и собирает их в русло текущей по ней подземной реки. Закарстование массива приводит к распаду речной сети на мелкие изолированные водосборы, каждый из которых имеет свой понор (9). Все поноры связаны полостями с подземной рекой. Вполне очевидно, что форма полостей зоны нисходящей циркуляции будет зависеть от отношения (обозначим его через К) глубины заложения (подземной дрены (Л) к проекции расстояния (l) между ней и понором. Если предположить, что карстовая полость должна связывать понор и дрену по одному из наиболее коротких путей, то наклон дна полости должен зависеть от этого отношения. Поноры, находящиеся над самой подземной рекой, соединятся с ней отвесными шахтами, а те, что удалены на значительное расстояние, образуют слабо наклонные пещеры. Этот подход подтверждается. В районе Кутукского урочища почти рядом расположены дренируемые одной и той же подземкой рекой пещеры Сумган-Кутук и Кутукская-4, в которых коэффициент вертикальности В=0,85 при l=70 м и В=0,07 при l=560 м соответственно. В шахте Географическая на Алеке для двух независимых входных участков (рис. 35, а) наблюдаем аналогичную картину: B = 0,03 при l=213 м и В=0,69 при l=15 м.

Рис. 35. А - каналы, образуемые пересечением трещин: 1 - вертикальный тт-канал, 2 - наклонный и 3 - горизонтальный тн-каналы; Б - схемы образования зародышей пещер (разрезы) в различных обстановках: 1 - тн-каналы, 2 - вертикальные тт-каналы, 3 - наклонный тт-канал, П - понор, Д - дрена: В - схема образования из тн-каналов меандрирующих галерей (план). Пояснения в тексте

Но все же этот подход не отвечает на все вопросы.

Мы много раз пытались использовать представления о превращении в пещеры трещин (в том числе идеи Д. С. Соколова о необходимости предварительного раскрытия трещин и представления А. Бегли о влиянии коррозии смешивания) для объяснения строения той или иной пещеры, но всегда неудачно. На иной, более продуктивный подход нас натолкнули наблюдения в пе­щере Шумиха. Мы обратили внимание, что на пересечении тектонических трещин всегда сильная капель. Так может быть, в карстовую полость превращаются не сами трещины, а каналы, образованные их пересечением? Эта идея показалась очень заманчивой уже при беглом ее рассмотрении. Ведь сразу логично объясняются ранее непонятные факты: карстовые воронки, а также стволы шахт и колодцев всегда приурочены к пересечению тектонических трещин; галереи пещер, как правило, находятся на пересечении вертикальных трещин и трещин напластования; капель со свода в карбонатных пещерах (это показал просмотр архивных материалов СГС) почти всегда интенсивнее в местах пересечения вертикальных трещин, такие же наблюдения в отношении гипсовых пещер сделали ленинградские спелеологи (24); наконец, тонкие длинные каналы во вмещающих породах давно замечены в пещерах и описаны в 1942 году американским карстоведом Дж. Бретцем.

В любом массиве до начала активного карстования имеется трехмерная сеть каналов, образованных пересечением трещин. Пересечения двух тектонических трещин образуют каналы, по-разному наклоненные к горизонту: вертикальные, наклонные и горизонтальные. Назовем их для краткости тт-каналами. При пересечении тектонической или литогенетической трещины и трещины напластования получаем тн-канал. Вертикальный тт-канал, по нашей гипотезе, может превратиться в колодец или шахту, остальные являются зародышами пещерных галерей (рис. 35А).

Теперь проверим справедливость выдвинутой идеи. Построим мысленную модель интересующего нас процесса и сопоставим с результатами наблюдений. Итак, мы принимаем, что зарождение карстовых полостей происходит при коррозионном расширении инфильтрующейся водой каналов, образованных пересечением двух тектонических или литогенетических трещин (а не самих трещин!). И естественно, что в карстовую систему речного типа превращается та группа каналов, которая в начальной стадии формирования пещеры имеет наименьшее сопротивление течению воды от понора к дрене.

Как же зависит форма пещер речного типа от геологических условий, в которых она возникает? Допустим, что карстовая полость образуется в слоистых, наклонно залегающих карбонатных породах, и направление от понора к дрене в общем совпадает с направлением падения пластов вмещающих пород. Предположим также, что все однотипные трещины массива одинаковы и весьма протяженны. Для моделирования обратимся к геометрии (принимаем во внимание тт- и тн-каналы с минимальным гидродинамическим сопротивлением на участке понор - дрена). Поскольку морфологический тип пещеры определяется величиной K, возможны три различных соотношения между ней и тангенсом угла падения пластов. Формы соответствующих им полостей в начальной стадии их развития показаны на рис. 35Б, 1, 2, 3.

При равенстве этих величин наименьшим гидродинамическим сопротивлением обладает тн-канал, образованный пересечением одной или нескольких тектонических трещин и одной межпластовой, соединяющей понор и дрену. При совпадении линии падения пластов и простирания тектонической трещины возникает полость, соединяющая понор и дрену по кратчайшей прямой (рис. 35 Б, А). Такие пещеры по форме очень просты, но они наиболее редки. На Урале нам известна лишь одна полость этого типа - пещера Ключ. Если направления линии падения пластов и тектонической трещины не совпадают, используются каналы, образованные межпластовой трещиной и сетью вертикальных.

Если величина К больше тангенса угла падения пластов, то тн-канал, начинающийся у понора, окажется над дреной. Значит, понор и дрена могут быть соединены полостью лишь при наличии в ней каскада колодцев, углубляющих ее до уровня дрены (рис. 35Б, В). Количество колодцев и глубина каждого из них зависят от плотности тектонических трещин в массиве. Если считать ее постоянной для данного района, то коэффициенты вертикальности пещер в зоне нисходящей циркуляции будут определяться в основном величинами проекций расстояний между понорами и дреной, падая с их ростом (пещеры Кутукского урочища и шахта Географическая). Из нашей модели зарождения полостей естественно вытекает наличие колодцев в карстовых полостях зон нисходящей циркуляции вод при большом значении К.

Если величина К меньше тангенса угла наклона пластов, образуются наклонные пещеры без колодцев. Линия наименьшего гидродинамического сопротивления в этом случае лежит выше тн-канала, начинающегося у понора. "Подъем" пути понор - дрена возможен по вертикальным тт-каналам (рис. 35Б, б, 1). Ступенчатая линия тонкого первичного канала вероятнее всего будет "стерта" при последующем превращении его в зрелую карстовую полость. Возможен н второй вариант развития полости в этих условиях - углубление ее по межпластовой трещине ниже уровня дрены и затем подъем к ней по вертикальному тт-каналу (рис. 35 Б, б, II). Геометрия подтверждает равновероятность обоих вариантов образования полости. В случае поверхностной дрены они соответствуют горизонтальным пещерам- источникам и восходящим напорным источникам зон горизонтальной и сифонной циркуляции. Таким образом, предлагаемая модель не только позволяет объяснить существование восходящих источников, но и предсказывает условия, в которых они могут образоваться.

Пока мы рассматривали обстановку, когда в карстующемся массиве сток был направлен в сторону падения пластов вмещающих пород. Чаще всего так и бывает. Однако возможно и несовпадение этих направлений, а угол между ними может достигать 180°. В рамках нашей модели можно себе представить по крайней мере два случая развития карстовой полости в этих условиях (рис. 35 Б, г). Эти варианты равновероятны. Первый на практике пока не известен, второй же соответствует карстовой системе пещеры Шумиха. Другой возможный способ развития карстовой полости связан с превращением в нее наклонных и горизонтальных тт-каналов, образованных вертикальной и наклонной или двумя наклонными тектоническими трещинами (рис. 35 Б, Д). В качестве примера можно привести карстовую систему массива Фишт, где имеется шахта Парящая Птица глубиной 520 м, и известную на Урале пещеру Смолинская (12). Каналы этого типа служат для образования как горизонтальных пещер, так и шахт (вместе с тт-каналами, рис. 35 Б, д). К этому случаю применимо все изложенное выше.

До сих пор речь шла о продольных профилях карстовых полостей, образующихся из каналов. Каковы же будут их очертания в плане? На рис. 36 В показана проекция пласта, падающего от понора П к линейной дрене АВ (подземная или поверхностная река). Для простоты изображена обстановка, соответствующая случаю, когда величина К равна тангенсу угла наклона пластов. Тонкими линиями показаны следы вертикальных трещин, секущих пласт, т. е. тн-каналы.

Наиболее вероятные углы пересечения трещин в известняках, по нашим наблюдениям, 60-70° и 110-120°. Можно геометрически показать, что если понор точечный и разгрузка возможна в любой точке дрены, то внутри треугольника ПАВ любые нисходящие ломаные, идущие по тн-каналам, минимальны и равны между собой. Протяженность участка дрены, на котором разгружаются равноценные каналы с минимальным сопротивлением, зависит от величины угла Д4ПВ, образованного у понора перпендикуляром к дрене и тектонической трещиной. Она снижается до нуля, когда этот угол становится меньше 30°. Однако в общем случае, если все каналы идентичны, внутри треугольника АВП имеется целый набор равноценных путей с минимальным гидродинамическим сопротивлением.

Что же получается? Во-первых, оказывается, что из многих путей, по которым просачивается вода, случайно выбирается тот, который превращается в карстовую полость речного типа. Такое выделение, очевидно, происходит не сразу. Вначале они расширяются одновременно, затем поверхностный ручей полностью перехватывается одним из путей. Значит, в окружении пещеры речного типа должен существовать своего рода ореол из микрополостей. Отмеченные Дж. Бретцем круглые каналы, иногда пронизывающие стены пещер, и могут быть элементами этого ореола.

Во-вторых, очевидно, при определенных условиях полость должна менять направление - меандрировать.

И, наконец, последнее очевидное следствие. Если в рассматриваемом на рис. 35 случае угол падения пластов или величина К невелики, то в пещере должны быть ветвления расходящегося и сходящегося типов за счет одновременного или последовательного расширения нескольких параллельных галерей. На плановой проекции пещеры образуются "острова", огибаемые меандрирующими пещерными галереями. Крупные пещеры с подземной рекой в зоне горизонтальной циркуляции (например, Красная в Крыму) действительно обладают такой особенностью. В отдельных случаях полость речного типа приобретает черты лабиринтовой пещеры: такова всемирно известная стокилометровая пещерная система Хельлох в Швейцарии. Меандровый характер галерей отличает лабиринты речного типа от лабиринтов озерного типа, у которых галереи всегда прямые.

При значительной величине К подземный поток врезается в массив гораздо быстрее, чем расширяются параллельные пути фильтрации в начальной стадии образования пещеры. Поэтому образующаяся галерея оказывается единственной на участке понор - дрена. Это характерно для наклонных пещер зоны нисходящей циркуляции вод (рис. 34).

Мы не пытались описать все возможные типы пещер и шахт, образующихся в различных условиях. Задача была более скромной - объяснить основные черты карстовых полостей. Не следует думать, что описанные здесь схемы можно точно приложить ко всем наблюдаемым на практике случаям. Они соответствуют идеальным, "теоретическим" пещерам, сконструированным упрощенно. Так, например, мы предположили, что все каналы одинаковы, а образовавшие их трещины бесконечной длины и глубины. Поэтому в любой из реальных пещер и шахт мы можем столкнуться с какими-то усложнениями. И все же поразительное совпадение следствий из модели зарождения пещер со спелеологическими наблюдениями оставляет мало сомнений в справедливости ее положений. С помощью этой модели удалось ответить на ряд не решенных до сих пор вопросов: почему в шахтах образуются колодцы и их каскады, почему возникают восходящие напорные источники, почему меняют направления пещерные галереи. Возникает, однако, новый вопрос, связанный с основным положением модели: почему расширяются не сами трещины, а только каналы на их пересечении? Достоверного ответа пока нет. Может быть, дело здесь в размерах этих нарушений. Другое возможное объяснение заключается в том, что растворимость известняка на ребре блока выше, чем на его грани. Можно также полагать, что канал образуется благодаря коррозии смешивания. Ясно, что этот вопрос требует дальнейшего изучения.

Значение канальной концепции образования пещер выходит за рамки спелеологии. Ее можно применять при изучении минеральных и термальных источников, а также некоторых типов рудных тел.