Карстовые породы (стр. 4 из 10)

Формирование полостей начинается во фреатической зоне. В зависимости от интенсивности развития трещинноватости от точки поглощения поверхностного водотока (пещера- или шахта-понор) до пещеры-источника вода движется по-разному. Согласно батифреатической теории, полностью обводнённые каналы, в которых вода находится под гидростатическим давлением, закладываются на большой глубине (может достигать 300 м). Согласно мелкой фреатической теории, они закладываются ближе к поверхности, причём в верхних коленах сифонов могут формироваться воздушные пузыри. Третья теория предусматривает «смешанное» развитие полостей. Уровенная теория предусматривает формирование галерей на уровне подземных вод.

Рис. 7. Формирование полостей во фреатической (1 – 4) и в вадозной (5 – 6) зонах: А – место поступления воды, Б – места выхода воды. Теории формирования: 1 – батифреатическая, 2 – мелкая фреатическая, 3 – смешанная (фреатическая и уровенная), 4 – уровенная, 5 – инфлюационная и переточная, 6 – инфлюационная. Тонкими линиями показана сеть первичных (спелеоинициирующих) трещин, жирными – вода

Но формирование пещер возможно и в вадозной зоне. В зависимости от особенностей питания здесь могут формироваться вертикальные и субгоризонтальные полости. Подземные водотоки при этом подчиняются тем же закономерностям, что и поверхностные: днища внутренних колодцев и шахт стремятся достичь профиля равновесия. Чем протяжённее субгоризонтальные части полости между двумя колодцами, тем глубже может быть второй из них. Часто наблюдается также попятное (регрессивное) отступание подземного потока с осушением горизонтальных и вертикальных частей полости. При этом образуются параллельные стволы полостей – «штаны».

Рис. 8. Схема формирования этажных систем полостей при врезании речной долины (А, Б, В): 1,2,3 – разновозрастные элементы поверхностного и подземного рельефа

При сопоставлении всех этих случаев с рисунком реальных карстовых систем выясняется, что последние формируются при взаимном наложении разных схем развития. Их многообразие зависит от трёх основных групп факторов: геологических, гидрогеологических и палеогеографических.

Геологические факторы – это тип карстующейся породы, особенности её строения и залегания. Она может быть слоистой или неслоистой, более или менее трещиноватой, залегающей горизонтально, наклонно или вертикально, разбитой на блоки или смятой в складки. Каждый из этих случаев и их комбинации определяют рисунок сети полостей, особенности их морфологии. Некоторые полости следуют рельефу подстилающего водоупора; другие заложены в отдельных пластинах горных пород, надвинутых друг на друга; третьи как бы «обходят» центральную часть куполовидной, брахиантиклинальной структуры.

Гидрогеологические факторы определяются особенностями питания подземных вод, которое может быть постоянным и периодическим, инфильтрационным и инфлюационным, сосредоточенным (поглощение в одном поноре) или рассредоточенным (поглощение по длине реки) и пр. Внутри массива вода образует свободные и напорные потоки; её движение может быть ламинарным или турбулентным, подчиняющимся разным фильтрационным законам; концентрация потоков может происходить у тектонических нарушений (сбросов, сдвигов), выступающих то как барражи (подземные «плотины»), то как коллекторы (проводники воды). По характеру поперечных сечений пещер и шахт, мелким формам на их стенах (купола, фасетки и пр.), а также отложениям на полах (гравий, песок, глина) можно определить условия образования полости.

Палеогеография. Поверхностный и подземный рельеф находятся в непрерывном развитии: меняются условия образования отдельных форм, они накладываются друг на друга, заполняются отложениями и вновь промываются. Типичная ситуация – обнаружение форм, проработанных некогда во фреатической зоне, в сегодняшней вадозной зоне. С каждым этапом врезания рек или поднятия горного массива связаны свои системы пещерных галерей, которые закладываются во фреатической зоне, но затем переходят во всё увеличивающуюся в мощности вадозную зону. При размыве некарстующихся отложений на поверхности формируются новые пункты поглощения, и древние фреатические каналы соединяются с ними вадозными колодцами. Следующий этап врезания ещё больше осложняет картину: в карстовом массиве появляются элементы трёх возрастов, наложенные друг на друга. Кроме отрицательных, деструктивных форм здесь возникают формы положительные, связанные с аккумуляцией разных типов.

В шарообразных пещерах, образованных термальными карстовыми водами, наблюдается изменение строения вмещающих известняков и особые формы минералов, покрывающих стены (арагонит, барит, исландский шпат). Часто «аномальные» по форме пещеры расположены рядом с крупными кальцитовыми жилами. При изучении жильного кальцита в нём были обнаружены пустоты с жидкостью, в которой плавают пузырьки газа. Для определения температуры образования кристалла шлиф помещают под микроскоп, подводят к шлифу термопару и нагревают его до тех пор, пока пузырёк газа не растворится в жидкости. Дополнительные исследования (изучение концентрации и состава жидкой фазы, газового состава и пр.) дают информацию об условиях образования минерала.

В горнорудных карстовых районах возможны два механизма образования шаровых структур. Первый – субаквальный, когда полость возникает за счёт восходящего потока термальных вод. Второй – субаэральный, когда с поверхности горячих вод происходит испарение, а конденсат, образующийся на стенах трещины, стекает вниз, постепенно преобразуя её в сферу (причём конденсация таких паров происходит с выделением тепла). Теоретическое моделирование показало, что шаровидная полость диаметром 1,5 м при температуре конденсата 60–20ºС может образоваться за 17–85 тыс. лет.

Формирование абразионных полостей обусловлено деятельностью морских и озёрных вод. При формировании коррозионно-абразионных систем некоторые из них являются низшими звеньями коррозионно-эрозионных полостей (пещерами-источниками), возникшими в зоне смешения пресных наземных и солёных морских вод и подтопленными морем. Если подтоплены два нижних выхода, то за счёт инжекции (эффект пульверизатора) через верхний вход подсасывается солёная вода, а из нижнего выходит солоноватая смесь. Если верхний вход находится над уровнем моря, то при достаточно высоких расходах карстовых вод солёная вода засасывается через нижний вход, солоноватая выходит через верхний. Такие системы часто имеют большие размеры.

1.2 Стадии развития карстовых пещер

Таким образом, пещерные полости могут развиваться в зоне аэрации (зоне вертикальной циркуляции вод), но большие карстовые пещеры зародились в основном при полном заполнении пещерных каналов подземными водами (зоне полного насыщения), и вода в них циркулировала под гидростатическим давлением. Различают ряд стадий их развития, относящихся к эпохам полного или частичного заполнения водой – напорной эпохе и безнапорной. Л.И. Маруашвили (1970) выделил семь стадий: три – в безнапорной эпохе эволюции (трещинная, щелевая, каналовая) и четыре – в безнапорной (воклюзовая, водно-галерейная, сухо-галерейная, гротокамерная).

В зонах вертикальной нисходящей циркуляции образуются вертикальные пещеры – карстовые колодцы и шахты с расширениями в виде гротов, в зонах горизонтальной циркуляции и переходных (в складчатых горных сооружениях) – горизонтальные пещеры (в результате растворяющей, размывающей, выносящей деятельности карстовых вод и подземных обвалов). Наклонные участки пещер обычно образуются по поверхностям напластования.

Стадии: I, II – трещинная и щелевая, III – каналовая, IV – воклюзовая, V – натечно-осыпная, VI – обвально-цементационная, VII – двухъярусная. Прерывистой линией со стрелками показана трещинная стадия, линиями – щелевая.

Вода, находящаяся в зоне горизонтальной циркуляции, перемещаясь по трещинам в карстующихся породах, расширяет их растворением и размыванием. Первая стадия образования пещер – трещинная. Постепенно из трещин образуются щели различной ширины – щелевая стадия (рис. 9,І, ІІ). По мере увеличения ширины трещин всё большее количество карстовых вод устремляется в них.

Рис. 9. Схема развития многоэтажных пещер

Карстующиеся горные породы неоднородны и на разных участках щели растут с разной быстротой. Наибольший рост наблюдается там, где имеются самые чистые разности карстующихся пород. Наличие нерастворимого остатка в виде частиц глины и песчинок замедляет карстование.