Подземный канал не всё время занят пещерной рекой, вытекающей в виде исполинового источника. Если поднятие карстового района продолжается, то выход источника становится всё выше над уровнем воды в реке, в долине которой он вытекает. Поток карстовых вод размывает дно подземного канала. Всё большее количество воды начинает уходить по трещинам вглубь, где на более низком уровне трещины превращаются в щели, а затем в каналы. Образуется вначале пещера с рекой, затем пещера с подземными озёрами и, наконец, сухая пещера, где только после дождей в некоторых местах со сводов капает вода. Воклюзовая стадия сменяется натечно-осыпной. Когда по пещере ещё течёт река, в ней развиваются натечные образования – сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, оолиты и др. При переходе из речной в озёрную стадию по берегам водоёмов может образоваться кальцитовое обрамление, а на выступах дна – кальцитовые кружева. Кроме подземной натечной аккумуляции, происходит обрушение сводов пещер. Образуются каменные осыпи, а под органными трубами могут возникнуть и земляные. В пещере накапливается и материал другого происхождения.
Натечно-осыпная стадия сменяется обвально-цементационной. При неглубоком залегании пещеры возможно её вскрытие путём провалов потолка. Могут возникнуть карстовые окна, тоннели, мосты, арки. При более глубоком залегании происходят только обвалы сводов, обломки цементируются кальцитом (или гипсом). Новое поднятие района пещеры и возобновление глубинной эрозии приведёт к появлению ещё одного этажа и т.д. Поднятия чередуются с остановками и опусканиями – вырабатываются этажи и происходит синхронная боковая эрозия рек с образованием аккумулятивного комплекса террас.
В древних верхних этажах пещер, которые иногда начали формироваться в третичном периоде, при опускании наблюдается заполнение пещер глиной, принесённой с поверхности. Во время последующего поднятия или при увеличении количества воды, поступающей в древние пещерные ходы с поверхности, происходит вынос накопившихся глинистых и других отложений. Если эти глинистые отложения были покрыты сверху кальцитовым натечным покровом, то при выносе песчано-глинистого материала водой у стен пещер можно наблюдать прикреплённые кальцитовые щиты. Эти натечные образования повисли в воздухе, так как подстилавшие их наносы вынесены пещерным потоком.
1.3 Морфология карстовых пещер
Сквозные пещеры имеют два и более входов. Некоторые представляют собой карстовые тоннели. Небольшие, слепо оканчивающиеся пещеры из одного или небольшого числа гротов называют мешкообразными. Пещеры, состоящие из коридора с несколькими небольшими расширениями в виде гротов, называют коридорными. В зависимости от того, как идёт этот единственный вход, их делят на линейные и прямоугольные. Линейные пещеры представляют собой прямую галерею, в прямоугольных пещерах единственная галерея коленообразная. Она состоит из участков, расположенных почти под прямым углом. Линейные пещеры образуются в результате расширения карстовыми водами одной системы трещин, а прямоугольные – двух почти перпендикулярных систем трещин. Перистые пещеры характеризуются соответствующим расположением ходов. Решётчатые пещеры имеют сложную разветвлённую сеть многочисленных галерей, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, и в плане напоминают решётку. Как уже было сказано, пещеры могут иметь несколько этажей.
Помимо проходов и гротов, развитых в зоне горизонтальной циркуляции, в пещере имеются органные трубы или камины, образовавшиеся в зоне вертикального нисходящего движения карстовых вод. Эти слепые колодцы представляют собой либо продолжение понор на дне карстовых воронок, либо находятся между этажами пещер.
В пещерах, начиная с каналовой стадии, вначале под давлением, а затем и при его отсутствии, карстовые воды выщелачивают потолок, пол и стены подземных пустот – образуются подземные карры. Разнообразны подземные формы выщелачивания гипса и ангидрита – «люстры» и др. скульптурные формы. Н.К. Тихомиров (1934) выделяет для такого карста несколько форм подземных карр.
В пещерах преобладают низкие положительные температуры. Температура воздуха пещер зависит от аэротермической ступени. Чем выше находится пещера, тем ниже температура. На одних и тех же высотах, но разных широтах температура разная (чем севернее, тем она ниже). В пещерах наблюдается различная влажность воздуха (сухие и влажные пещеры). В пещерах, куда просачивается вода (особенно при низких температурах), относительная влажность может достигать 100%. Воздух в карстовых массивах находится в движении. Одни отверстия расположены ниже, другие выше. За счёт разности уровней и разницы температур наружного и внутреннего воздуха происходит его движение. Летом холодный воздух выходит из нижних отверстий наружу, а через верхние засасывается тёплый. Зимой наблюдается циркуляция в обратном направлении.
В карстовых областях, при наличии магистральных речных артерий, в склонах долин наблюдаются слабо наклонные, почти горизонтальные карстовые пещеры. Они образуются в местах концентрации карстовых вод, движущихся горизонтально в виде потока к дренирующей артерии. При этом горизонтальные пещеры формируются главным образом тогда, когда вертикальные движения земной коры замедлены или почти отсутствуют. В этом случае горизонтальный поток карстовых вод успевает выработать подземные полости. Значительную роль играет здесь растворимость пород. Наиболее длительное время требуется для доломитов и доломитизированных известняков, меньше – для известняков и мела, ещё меньше – для гипсов и ангидритов, наименьшее – для соли. Растворимость кристаллических веществ зависит как от их природы, так и от природы растворителя. Изменения термодинамических условий, происходящие в верхней зоне литосферы, оказывают существенное влияние на растворяющую способность водных растворов; в меньшей степени это влияние распространяется на те свойства кристаллических веществ, с которыми связана их растворимость. Растворимость связана с энергией решётки кристаллов, причём эта связь имеет общий характер обратной зависимости. Снижение растворимости происходит в ряду: NaCl – CaSO4 – CaSO4 ·2H2 O – CaСO3 – доломит. Однако в силу различных причин может происходить его перестройка, что характерно для соединений с близкими значениями энергии решёток.
1.4 Карстовые колодцы, шахты и пропасти
Вертикальные колодцеобразные каналы с поперечником более 1 м относят к карстовым колодцам. В поперечном сечении они бывают круглыми, овальными, многоугольными и др. Колодцы – формы, связанные с зоной вертикальной нисходящей циркуляции карстовых вод, соответствующие одному этажу карста. Для платформ это обычно 20–30 м, поэтому глубина колодцев обычно ограничена 20 метрами. Образуются они путём расширения каналов цилиндрических понор за счёт выщелачивания известняков и гипсов, эрозии и, частично, обрушения подмытых выступов на стенках. Колодец может кончаться несколькими трещинами, иногда – расширением (гротом, тогда это уже простейшая вертикальная пещера). Многие колодцы, особенно в гипсах, превращаются в воронки. Существуют коррозионные карстовые колодцы (образующиеся из понор) и провальные.
Карстовые шахты обычно образуются в зоне вертикальной нисходящей циркуляции из колодцеобразных понор и колодцев. Поднятие страны сопровождается углублением колодцев и возникновением шахт. В результате многократных поднятий, чередующихся с периодами замедления (или опускания), образуются карстовые шахты и вертикальные пещеры. Этапы замедления поднятия документируются в виде горизонтальных каналов былых зон горизонтальной циркуляции, отходящих от шахт. В поднимающемся карстовом массиве, где природная шахта стягивает всё большие массы поглощаемых атмосферных осадков, новые поднятия естественно сопровождаются её углублением. Чаще карстовые шахты делят на: глубочайшие – более 1000 м, очень глубокие – 1000–500, глубокие – 500–250, обычные – 250–50, неглубокие – 50–20 м. Шахты с очень расширенным устьем, имеющим поперечник в десятки метров, называются пропастями. Морфологически шахты разнообразны – с почти вертикальным стволом, со спиральным, двухствольно разветвляющиеся, многоэтажные и др. Имеются переходные формы между карстовыми шахтами и вертикальными пещерами. Обычно различают два типа карстовых шахт: коррозионные и провальные (Э.А. Мартель, 1908). В зависимости от характера движения и состава образовавших их вод, выделяют:
1. Коррозионные, возникшие за счёт вод зоны вертикальной нисходящей циркуляции, – требичский тип. Требичский грот около Триеста, глубиной 321–329 м – естественная шахта и пещера, изучена в 1840–1841 гг. Линдером.
2. Провальные, возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, – бреховский тип. Встречается редко. Назван по шахте в районе с. Брехово Пермской области.
3. Провальные, возникшие над пустотами, созданными водами зоны горизонтальной циркуляции, – пятигорский тип. Назван по провалу, глубиной 41 м, на горе Машук в г. Пятигорске.
4. Коррозионные, образованные напорными водами зоны вертикальной восходящей (сифонной) циркуляции, – цериккельский тип. Назван по шахте озера Церик-Кель глубиной 258 м: поднимавшиеся по трещине воды выработали канал, верхняя часть которого является расширенной.
Из более чем трёх тысяч карстовых шахт и вертикальных пещер, по мнению Э.А. Мартеля, большая часть принадлежит к первому типу. В их образовании основную роль играет корродирующее действие вод зоны нисходящей вертикальной циркуляции. Выходящее на дневную поверхность отверстие шахты сообщает её с наземной атмосферой. В шахте происходит подземное выветривание, которое усиливается наличием углекислоты. Отделённые трещинами выветривания участки стенок обрушаются под влиянием силы тяжести. Некоторые шахты начинаются в больших карстовых воронках.
Пропасти и шахты по происхождению Б. Гезе (1953) делит на пять категорий:
1. Тектонические пропасти – образовались в результате расширения водой диаклазов и трещин напластования.
2. Провальные пропасти – возникли над расширенными неглубоко находящимися подземными галереями с водой.
3. адсорбирующие пропасти – возникли в результате просачивания вод по трещинам, часто на контакте карстующихся и некарстующихся пород.
4. Пропасти восходящих карстовых вод.
5. Шахты-трубки эквилибристы, извергающие и поглощающие воду по сезонам.
В районах, которые претерпели опускание, иногда бурением вскрывают карстовые колодцы и шахты, совершенно заполненные песком или другими отложениями (т.е. погребённые).
2. Условия образования карста
2.1 Карстующиеся горные породы и обстановки их образования
Среди карстующихся горных пород выделяют: карбонатные (известняки, доломитизированные известняки, доломиты, писчий мел, мраморизованные известняки и доломиты, мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты, переходные разности), соли (карналлит, сильвин, сильвинит и др.). Карстообразование протекает по-разному, в зависимости от мощности карстующихся пород, площадей, которые они занимают, от углов наклона этих отложений, химического состава и степени чистоты пород. Эти особенности в значительной степени зависят от тектонической обстановки образования карстующихся пород. Различают такие основные обстановки образования, распространения и условий залегания карстующихся горных пород: I – геосинклинальная, II – переходная – краевых прогибов, III – платформенная; в особых группах IV – континентальная, и V – морская.
В складчатых зонах она характеризуется различной дислоцированностью, мощностью и химическим составом карстующихся отложений.
Карбонатные отложения
1. Известняки (и доломиты) в результате длительного непрерывного накопления образуют мощные толщи на значительных площадях. Большей частью характеризуются, за исключением отдельных слоёв, сравнительной однородностью химического состава и мощностью в сотни метров (до 2 – 3 км). Пример: массивные известняки нижней Перми, верхнего и нижнего карбона западного склона Урала, некоторые мощные толщи карбона Средней Азии и юры Крыма, Кавказа, верхнеэоценовые известняки Крыма.
2. Известняки (и доломиты) в условиях длительного накопления при значительных колебательных движениях земной коры образуют толщу меньшей мощности на значительных площадях. В зависимости от условий осадконакопления толщи характеризуются большей или меньшей мощностью и разнообразием состава и свойств. Пример: карбонатные толщи докембрия, древнего палеозоя, девона и Перми Урала, средней Азии, мощные карбонатные толщи триаса и верхней юры на Северном Кавказе, третичные известняковые тощи Кавказа и другие.
3. Кольский тип. Мраморизованные известняки и доломиты, представляющие толщи незначительной мощности, развиты на ограниченных площадях. Образовались в результате спорадического накопления карбонатных осадков среди других толщ и последующего складкообразования и метаморфизации. Пример: известняки и доломиты докембрия на Кольском полуострове и в Финляндии, некоторые силурийские и девонские известняки восточного склона Урала.
4. Известняки рифовых массивов различной мощности, развитые на ограниченных площадях. Отличаются неправильной формой, невыдержанностью пород по простиранию и часто отсутствием слоистости. Обычно эти известняки массивны и плотны, нередко характеризуются биоморфной структурой (являются археоциатовыми, водорослевыми или содержат скелетные остатки других организмов). Встречаются и химически чистые разности известняков. Пример: кембрийские известняки Тувы.
Гипсы и ангидриты
1. Пласты и пластообразные залежи мощностью до 100 м, реже – до 200 м, иногда разделённые пропластками некарстующихся пород, залегающие со значительными углами падения. Пример: титонские гипсы Кавказа, триасовые гипсы Альп и Апеннин.
Каменная и другие соли
1. Галит в виде пластов, залежей небольшой мощности. Пример: третичные отложения Кавказа.
II. Переходная обстановка краевых прогибов (с пологим, местами относительно крутым залеганием пород)
Карбонатные отложения
5. Известняки и доломиты среди мощных слоистых некарбонатных толщ, образовавшиеся в условиях не особенно длительного осадконакопления. Толщи карбонатных отложений характеризуются не очень значительной мощностью и разнообразием состава и свойств. Пример: пермские карбонатные отложения Предуральского краевого прогиба в западной части Уфимско-Соликамской депрессии.
6. Карбонатные рифовые массивы различной мощности, развитые на ограниченных площадях. Пример: пермские рифы Уфимско-Соликамской и Бельской депрессий.
Гипсы и ангидриты
2. Пласты и пластообразные залежи мощностью в 10–20 м и до 100 м с пологими углами падения, залегающие как на значительных, так и на небольших площадях. Пример: гипсы и ангидриты пермского возраста Уфимско-Соликамской депрессии.
3. Гипсовые шляпы соляных куполов краевых прогибов, развитые на небольших площадях. Пример: Предтаймырский краевой прогиб.
Каменная и другие соли
2. Пласты и пластообразные залежи солей, развитые как на значительных, так и на небольших площадях. Пример: пермские соли Предуральского краевого прогиба.
3. Соляные куполы краевых прогибов с крутыми углами падения. Пример: Предуральский (южная часть), Предтаймырский и Предпамирский краевые прогибы.
IIІ. Платформенная обстановка (с толщами осадочного плаща, образующими пологие структуры с почти горизонтальным залеганием)
Карбонатные отложения
7. Известняки и доломиты в виде мощных толщ, развитых на значительных площадях. Они образовались в мало изменяющихся условиях седиментации, но несут следы колебательных движений земной коры в виде перерывов в осадконакоплении с сутурами, ститолитами и древними поверхностями карстования. Карбонатные отложения этих толщ отличаются мощностями, измеряемыми сотнями метров, и сравнительно малой изменчивостью химического состава. Пример: пермские и каменноугольные известняки востока Русской платформы в Прикамье и Башкирии, карбонатная верхнепротерозойская свита Трансвааль мощностью до 1 км в Южной Африке и др.
8. Известняки и доломиты, образующие толщи сравнительно малой мощности вследствие чередования их с обломочными породами: отдельные слои, различные по мощности и составу. Пример: силурийские известняки Эстонии и Ленинградской области, Девонские Главного девонского поля в Воронежской области, известняки карбона Московской синеклизы, третичные известняки Причерноморской впадины, Тарханкутского, Ставропольского поднятий и др.
9. Известняки и доломиты рифовых массивов платформ. Характеристика их в общем сходна с отложениями 6-го типа. Пример: нижнепермские рифы Уфимского вала, верхнетретичные среднесарматские рифы юго-запада Русской платформы в Приднестровье.
10. Писчий мел, образует пласты мощностью до 100 м, развит на сравнительно больших площадях. Пример: Воронежская и Белорусская антеклиза, западный склон Украинского щита и др.
Гипсы и ангидриты
4. Пласты и пластообразные залежи осадочного плаща платформ. Пример: третичные гипсы Подольско-Литовской, девонские Балтийской, пермские Московской и Глазовской синеклиз и др.
5. Гипсовые шляпы соляных куполов синеклиз и других отрицательных структур платформ. Пример: Прикаспийская, Украинская и др. синеклизы.
Каменная и другие соли
4. Пласты и пластообразные залежи в покровных отложениях платформ, главным образом в синеклизах и других отрицательных структурах. Пример: залежи соли Прикаспийской, Московской и др. синеклиз.
5. Соляные куполы покрова платформ, развитые главным образом в синеклизах. Пример: Прикаспийская, Украинская, Вилюйская синеклизы, Убсанурская впадина.
IV. Современные поверхностные образования континентов
В эту группу выделяют современные поверхностные карстующиеся породы, образовавшиеся в четвертичный период и не всегда прошедшие полностью стадию диагенеза. Как правило, имеют небольшую площадь распространения и весьма малую мощность.
Карбонатные отложения
11. Известковые туфы холодных источников. Образуют довольно рыхлые пористые известняки. Площадь их невелика. Максимум десятки квадратных метров. Развиты довольно широко. Пример: Пермская область.
12. Карбонатные травертины термальных источников. Значительно менее распространены. Обычно развиты на большей площади. Пример: травертины района Кавказских минеральных вод, которые местами закарстованы.
13. Современные континентальные карбонатные образования – береговые известняки Австралии.
Гипсы
6. Отложения гипсовых озёр засушливой зоны.
Каменная соль
6. Отложения соляных озёр засушливой зоны.
Природная сода
1. Отложения содовых озёр засушливой зоны.
V. Современная морская обстановка
14. Карбонатные образования современных морей и океанов в виде коралловых рифов.
2.2 Водопроницаемость карстующихся пород
Водонепроницаемые горные породы карстуются только с поверхности. Но большая часть горных пород, попав в зону выветривания, становится трещиноватой. По трещинам в массив проникают воды и атмосферный воздух, которые взаимодействуют с растворимыми породами, вызывая ряд химических и минералогических процессов. Трещины возникают на всех этапах жизни карстующейся осадочной толщи. Начиная с превращения осадка в породу при процессах диагенеза, при складкообразовании, выветривании.
Литогенетические (первичные) трещины
– возникают преимущественно при диагенезе. Наиболее важные физические изменения – потеря воды и уплотнение отложений путём уменьшения их влажности и пористости. Эти процессы растянуты по времени и распространяются на глубину 150–200 м. На большей глубине осадки полностью переходят в плотные осадочные породы, которые в дальнейшем крайне медленно отдают воду и уплотняются. Распространение таких трещин наиболее чётко выражено в областях с горизонтальным или слабонарушенным залеганием пород. Там, где породы смяты в складки и испытали интенсивные тектонические движения, первичные трещины в осадочных породах бывают часто замаскированы более поздней тектонической трещиннноватостью. Первичные трещины не пересекают мощных толщ пород, а тесно связаны с отдельными пластами или небольшими пачками пластов. Обычно трещины заканчиваются на границах отдельных пластов, образующих слоистость. По отношению к слоистости трещины располагаются перпендикулярно. Косо, параллельно, имеют неправильную сложную форму. Положение их зависит от литологического состава пород. Замечено, что перпендикулярные слоистости трещины характерны для известняков и доломитов, разбивают эти породы на параллелепипедные отдельности. В различных
29-04-2015, 00:53