Какие стадии проходит в своем развитии карстовая полость в карбонатных породах

Вопрос о стадиях развития пещер - один из наиболее интересных в спелеологии. Его современное состояние отражено в схеме морфолого-гидрологической стадийности развития горизонтальных пещер с подземной рекой в карбонатных породах Г. А. Максимовича [15]. Новые сведения позволяют уточнить эту схему, чтобы иметь возможность описывать стадии развития полостей разных морфогенетических типов. Совершенно непохожие пещеры - узкий коридор с бурной рекой и лабиринт гротов со слабопроточными озерами должны находиться в одной и той же стадии развития, если карстовые процессы в них одинаковы. Несхожесть их определяется не разным "возрастом", а условиями их образования: положением в пространстве, структурными и гидрогеологическими обстановками. Морфологические и гидрологические особенности пещеры характеризуют скорее ее тип, чем стадию развития. Поэтому в новой схеме стадийности не будем определять стадии по этим признакам.

Л. И. Маруашвили (1970 г.) указал на необходимость резко отграничивать эволюционные ступени от случайно обусловленных отклонений и различать первостепенные и второстепенные явления в жизни пещеры, Примем поэтому, что смена стадий развития пещеры происходит тогда, когда кардинально меняются ее внутренние условия, характер и направление протекающих в ней основных процессов. К определяющим факторам отнесем следующие: изменение соотношения между расходом воды поверхностного водотока Qр и пропускной способности полости Qп(QPQп), смена типа питания пещерных потоков (инфлюационный, инфильтрационный) изменение характера и направления переноса с поверхности в полость и из полости на поверхность любого компонента, участвующего в обратимой реакции карбоната с углекислотой.

Наши предшественники исходили из трещинной концепции спелеогенеза [27], по которой в полость при движении воды превращаются трещины. Поэтому первая стадия названа ими трещинной и соответствует, по Г. А. Максимовичу [15], раскрытию первичных трещин до 2 см. Вторая стадия щелевая, при раскрытии трещин до 50 см. Как показано выше, трещинную концепцию нельзя признать удовлетворительной, ведь она объясняет морфологию лишь узкого класса полостей - коррозионно-гравитационных, у бровки массива [9]. Если принять канальную концепцию спелеогенеза, то нужно отказаться от трещинной и щелевой стадий, которые чаще всего реально не существуют.

Первой стадией формирования пещеры является каналовая (таблица). Ей предшествует период, в течение которого в глубине массива образуется сеть каналов на пересечении трещин, вероятнее всего за счет коррозии смешивания. Это фаза первичного закарстования массива - от его поверхности до уровня удаленной дрены. Каналовая стадия начинается тогда, когда каналы достигают критических размеров (порядка 1 мм) и движущиеся по ним воды приобретают "инфлюационный" характер. Другим важным моментом является появление врезанных в массив речных долин, обеспечивающих активную циркуляцию вод от поноров к источникам. Верхний предел размера каналов в этой стадии ограничен условно десятками сантиметров, т. е. полость пока не доступна для человека. Ведущими процессами этой стадии являются коррозия и эрозия вмещающих пород агрессивными инфлюационными водами. Карстовый массоперенос направлен из глубины массива на поверхность к дрене. Гидрологическое условие развития полости на этой стадии Qp > Qп. Поэтому на участке донор - дрена происходит развитие "пучка" фильтрационных каналов с приблизительно одинаковым гидродинамическим сопротивлением. При малом значении h:l (например, в равнинных условиях) этот пучок распределен горизонтально, при большом h:l (в горах) - преимущественне вертикально. Все каналы полностью заполнены водой (фреатические, напорные условия).

Если расход воды в поверхностном водотоке значителен, фреатические условия сохраняются и после того, как полость увеличится до размеров, допускающих проникновение в нее человека. Это соответствует II стадии спелеогенеза - инфлюационно-фреатической. Теперь объем полости возрастает уже не только за счет коррозии и эрозии, но и вследствие обрушения сводов с образованием гротов в местах пересечения трех и более трещин. Объем обрушенных пород больше, чем монолитных, поэтому свободные объемы гротов образуются лишь тогда, когда упавшие глыбы растворяются в потоке. В противном случае обрушение прекращается вследствие подпора свода глыбовым навалом, как это было в пещере Шумиха. Во II стадии в пещере могут начать формироваться речные отложения из гальки, песка и глины, иногда значительной мощности.

Какие стадии проходит в своем развитии карстовая полость в карбонатных породах

Oбозначения: 1 - поверхность массива; 2 - полость; 3 - поверхность у дрены; - - направление массопереноса; В и В - вода инфлюационная и инфильтрационная соответственно; УГ - углекислота; К - карбонат; ΔV>0 - объем полости увеличивается, ΔV< 0 - уменьшается; запись К(В)г 1-2, 1-3 означает: перенос карбоната и к фильтрационной водой с поверхности массива в полость, где он частично откладывается в виде натеков, остаток выносится на поверхность к дрене; +*обрушение за счет сейсмичности.

Смена условия Qp>Qп на Qp<Qп для полости речного типа означает переход к III стадии, ннфлюационно-вадозной, когда только часть поперечного сечения подземных полостей заполнена водой. Во время такого перехода из "пучка" равноправных каналов выделяется один, перехватывающий весь сток. В лабиринтных пещерах озерного типа переход к вадозному режиму и появление свободного зеркала вод связаны не с изменением отношения Qр:Qп, а с врезанием магистральной реки в долину (пещеры Кунгурская, Максимовича [12]).

В III стадия, как и до нее, в сфере действия инфлюационных вод объем полости увеличивается, а вмещающие породы выкосятся из глубины массива на поверхность. Появляется, однако, и новый процесс. Инфильтрационные воды, проникая в пещеру, где парциальное давление углекислоты много ниже, чем в почве, отдают ее пещерному воздуху и формируют кальцитовые натеки на стенах и сводах. Выделившаяся углекислота с потоком воздуха выносится на поверхность. Таким образом, в III стадии идет также перенос карбоната с поверхности массива в его глубину. Однако вынос карбоната инфлюационными водами превышает его привнос инфильтрационпыми, и объем пещеры в целом увеличивается.

Дальнейшее развитие неглубоко залегающих пещер рассмотрено Г. А. Максимовичем [15]. Оно состоит из четырех последовательных стадий их разрушения с уменьшением объема (IVA-VIIA). Для пещерно-провальной стадии характерно обрушение свода в нескольких местах и вынос материала инфлюационными водами (Ищеевская пещера [12]). Две следующие стадии (карстового моста и арки) протекают при преимущественном участии процесса выветривания и атмосферной коррозии.

Глубоко залегающие пещеры развиваются иначе. После прекращения инфлюационного питания (углубление или отступление реки) начинается инфильтрационно-вадозная стадия развития полости (IVБ). Подземная река теперь питается за счет инфильтрационной капели. При этом резко меняется облик полости. Голая, лишенная каких-либо украшений пещера с совершенно одинаково изъеденными ребристыми стенами превращается в богато изукрашенную разнообразными натеками полость. Если карстовая система разветвленная, то расход реки в ее "низовьях" может быть большим, хотя отдельные притоки ее весьма маловодны (система Кутукского урочища). И те и другие полости находятся все же в одной стадии развития, поскольку условия протекания карстового процесса в них идентичны. Он заключается в осаждении из инфильтрационной воды кальцита, уменьшающего объем пещеры. Скорость процесса зависит от водопритока и от разности парциальных давлений углекислоты в растворе и в пещерном воздухе, т. е. от условий вентиляции полости [16]. Наиболее характерным аккумулятивным процессом в стадии IVБ является формирование гуров в русле потока.

Многие карстовые системы (хребта Алек, Кутукского урочища, Красной пещеры в Крыму) находятся в переходной стадии развития III-IV. В них в паводок растет объем полостей вследствие инфлюации (III), в межень - он уменьшается за счет аккумуляции натеков (IV5).

В отдельных случаях (в условиях повышенной вентиляции полости, вблизи поверхности) вся инфильтрационная вода может испаряться и выноситься из пещеры (инфильтрационно-сухая стадия, VБ). Поскольку тогда почти весь содержащийся в воде бикарбонат аккумулируется в пещере, скорость заполнения ее натеками становится максимальной.

Процесс аккумуляции в IVБ-VБ стадиях приводит к расчленению пещер натеками на отдельные камеры. Те из них, которые утратили "полостную" связь с поверхностью, лишились возможности удалять углекислоту, подводимую с инфильтрационными водами. В результате парциальное давление углекислоты в их атмосфере возрастает до "почвенного уровня", и процесс аккумуляции прекращается. Полость переходит в пещеристую стадию (VIБ). Гидрохимические процессы в ней почти не происходят, хотя она и орошается по-прежнему инфильтрационной водой. В зоне активного водообмена при глубоком заложении "законсервированная" полость может сохраняться очень долго.

Из изложенного ясно, что в одной и той же карстовой полости имеются одновозрастные участки, часть из которых сумела "сохранить молодость", тогда как другая часть "одряхлела". В каждой пещере при любой стадии развития ее основной части имеются неразвившиеся полости, соответствующие самым начальным стадиям формирования. Несмотря на одинаковый геологический возраст (время от начала карстования), относительный возраст (стадия развития всех этих участков) оказывается совершенно различным и, очевидно, зависит от условий питания данного участка полости поверхностными водами. Из этого следует, что термин "стадия развития пещеры" неприменим к карстовой системе в целом и может характеризовать лишь отдельные ее части.