Образование и развитие пещер [1973 Чикишев А.Г.

Карстовые пещеры - ото 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 литогенетнческие, 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 торную 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 CaCl₂ 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.

Рис. 1. Схема гидродинамических зон карстового массива: I - поверхностная; II - вертикальная; III - сезонная; IV - горизонтальная; V - сифонная; VI - глубинная

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 территории; 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.

Рис. 2. Стадии развития пещер (по Г. А. Максимовичу): I, II - трещинная и щелевая; III - каналовая; IV - воклюзовая; V - натечно-осыпная; VI - обвально-цементационная. Прерывистой линией со стрелками показана трещинная стадия, сплошной линией - щелевая

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 (гротокамерная 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.

Стадии эволюции горизонтальных карстовых пещер

^* (Л. И. Маруашвили. Морфологический анализ карстовых пещер. В кн.: "Очерки по физической географии Грузии". Тбилиси, 1969, стр. 59.)

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 (эветазия), 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 смешение 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), средне-плейстоценовый (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 З. 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; H - 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 υ - 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%.