22 марта 2007 г.

Подземные реки Крыма


Пещеры Крыма. Подземные реки


Успехи в изучении карста Крыма породили одно опасное заблуждение. Читая о приключениях спелеологов под землей, об их плаваньях по сложному фарватеру подземных рек, о попытках преодоления подземных сифонных озер с помощью акваланга, многие приходят к убеждению, что горный Крым очень богат водой. И вот в засушливые годы, до вольно частые на нашем полуострове, когда Салгир и Альма, Кача и Бельбек из бурных горных потоков превращаются в жалкие ручейки, отовсюду идут письма: «Дайте нам воду подземных рек!»

Попробуем разобраться в некоторых особенностях гидрогеологии горного Крыма. Главная гряда Крымских гор состоит из ряда изолированных или соединенных друг с другом скальными перемычками горных массивов. Они сложены карстующимися горными породами - верхнеюрскими известняками, которые лежат на слабоводопроницаемых или водоупорных, смятых в складки более древних отложениях среднеюрского или нижнеюрского-триасового возраста. Большей частью контакт известняков и алевролито-песчаниковой толщи приподнят выше уровня моря (то есть известняки лежат на цоколе водоупорных пород). Лишь местами, главным образом на северном склоне, известняковые массивы опущены на значительную глубину.

Основной источник питания подземных вод Главной гряды — это атмосферные осадки. На западных массивах (Ай-Петринский, Ялтинский, Никитский, Бабуганский, Чатыр-Дагский) их выпадает 800-1200 мм в год, на восточных (Демерджийский, Долгоруковский, Карабийский) — 600-700 мм. Однако эти осадки не полностью идут на питание подземных вод: 40-50% их испаряется с поверхности грунта, снега, воды, а также транспирируется древесной и кустарниковой растительностью. Величина "эффективных" осадков вследствие этого снижается до 300-700 мм. В теплый период подземные воды пополняются за счет конденсации.

Запасы воды, формирующиеся в недрах горного массива в конкретный год, определяются не только довольно значительной изменчивостью годовой суммы осадков (например, на Ай-Петри в засушливые годы выпадает до 400, а в дождливые - до 1600 мм осадков). Значительную роль играет вид осадков. Если зима была теплой, то питание подземных вод происходит более равномерно, а если холодной, то накопленный за зиму снег быстро стаивает весной, формируются бурные паводки на реках, которые уносят в море миллионы кубических метров пресной воды. Такие же паводки возникают во время ливневых дождей, которые могут давать за одни сутки до 180-200 мм осадков. Это определяет паводковый режим всех основных рек Крыма (рис. 16).

Характерный график расхода рек Крыма (р. Краснопещерная)
До последнего времени мы мало знали о том, как залегают подземные воды в глубине горных массивов. Как и в других горных карстовых районах мира, здесь обычно использовались две противоположные гипотезы: единого уровня подземных вод и изолированных водотоков.

Согласно гипотезе единого уровня подземные воды залегают на водоупорном цоколе и заполняют все поры и трещины в известняках, образуя своеобразную "линзу", толщина которой во время паводка увеличивается (рис. 17, А). Источники возникают в основном на контакте водоупорных и водопроницаемых пород, а в паводки смещаются вверх по склону. На первый взгляд эту гипотезу подтверждают данные о большом количестве источников в горном Крыму: их известно более 2300.

Гипотеза изолированных водотоков исключает сплошное закарстование и обводнение карбонатной толщи до водоупора. Подземные воды собираются в наиболее трещиноватых зонах и образуют "подвешенные" в известняках мощ ные водные потоки, которые, подобно поверхностным рекам, "собирают" сток с большой территории и выносят воду к местам разгрузки, где образуются мощные карстовые источники (рис. 17, Б). Эта гипотеза в 50-60-е годы XX столетия встретила сопротивление крымских и московских гидрогеологов, которые упорно отстаивали идею о сплошной обводненности горных массивов. Иного мнения придерживалась группа карстологов и гидрогеологов симферопольского Института минеральных ресурсов во главе с 3. Н. Ивановым. Анализируя распределение вод карстовых источников полуострова по расходу, ученые обнаружили, что более или менее крупных источников (с расходом более 10 л/сек) в Крыму очень мало (всего 3,7% всех источников). Зато они дают 83% общего объема подземного стока! А это свидетельствует о его концентрации, которая необъяснима, если допустить сплошное обводнение горных массивов.

Залегание подземных вод в карстовом массиве по гипотезам единого уровня (А) и изолированных водотоков (Б). 1-водоупорные породы; 2-карстующиеся породы; 3-зона постоянного и периодического обводнения; 4-постоянные и периодические источники; 5-изолированные водотоки
Проверка предложенных гидрогеологических гипотез началась в 1958-1961 гг. и проводилась по двум направлениям: при изучении пещер и при сооружении Ялтинского гидротоннеля. Одним из лучших объектов для изучения гидрогеологии карста оказалась Красная пещера. В 1959 г. Е. А. Зуброва считала, что в пределах Долгоруковского и смежного Карабийского массивов происходит "растекание" подземных вод от центральных частей массива, где они залегают на глубине 100-150 м от поверхности, к источникам на их периферии (рис. 19, А). Исследования Красной пещеры в 1959-1965 гг. показали, что в этой части Долгоруковского массива, напротив, происходит "отекание" подземных вод к руслу подземной р. Краснопещерной. Затем этот единый подземный поток, "подвешенный" в известняковом массиве в 30-100 м над водоупорной толщей, выходит на поверхность. На Карабийском и других горных массивах Крыма были исследованы карстовые шахты глубиной 150, 200, 260 м. Многие из них ушли на 50-200 м ниже проблематичной поверхности <единого> уровня подземных вод, но остались совершенно сухими. На Караби в шахте Солдатская, открытой феодосийскими спелеологами в 1971 г.. вода была встречена на глубине около 500 м от поверхности...

Предполагаемые (А) и реальные (Б) условия залегания подземных вод на Долгоруковском массиве
Но если рельеф водоупорной толщи не определяем условий залегания и направлений движения подземных вод, то что контролирует их в карстовых районах? Исследование Б. Н. Иванова, Ю. И. Шутова, Л. П. Задорожной, И. Н. Васильева, а также автора дали ответ и на эти вопросы. Подземные воды концентрируются в наиболее трещиноватых зонах известняков, причем их более глинистые или просто более плотные, слаботрещиноватые прослои играют роль местного водоупора. Крупные тектонические нарушения со смещением пород сбросы, сдвиги, надвиги играют роль "плотин"-барражей, которые направляют сток к местам их пересечения с поверхностным эрозионным рельефом, где и образуются источники,. Вдоль таких нарушений движется на север подземный поток р. Краснопещерной. Но, дойдя в районе Второго обвального зала до почти перпендикулярного крупного разлома, отсекающего южную часть Долгоруковского массива от северной, р. Краснопещерная резко (на 80°!) поворачивает к западу и выходит вдоль него на поверхность (рис. 19, Б). Крупнейшие карстовые шахты Крыма (а позже выяснилось, что и других горных карстовых стран Альпийской складчатой области) контролируются разломными нарушениями. Вдоль них заложены огромные внутренние колодцы шахты поноры Каскадная (глубина 70, 46 и 75 м), Молодежная (60 и 90 м), Солдатская (90 м). Не менее удивительные данные принесло строительство Ялтинского гидротоннеля. Его назначение - перебрасывать в летнее время паводковый сток р. Бельбек и р. Качи, накопленный в водохранилищах на северном склоне, на юг, в Ялту. Такой водоводный тоннель из экономических соображений должен быть самотечным. Поэтому особого выбора в высотах заложения его входа на севере и выхода на юге у проектировщиков не было. Сторонники гипотезы "единого" уровня сулили много бед: тоннель должен пройти в 50-100 м ниже уровня залегания подземных вод. Это вызовет огромный водоприток в тоннеле или даже сделает невозможным его строительство, а все источники, располагающиеся в зоне влияния тоннеля, иссякнут...

Но твердая позиция, которую занял в дискуссии Б. Н. Иванов, победила. Тоннель построен, и через него вода поступает в Ялтинский курортный район. А "единый" уровень? Его просто нет под Ялтинским горным массивом. Геологическое строение района оказалось значительно более сложным, чем предполагалось. Массив на участке строительства состоит из отдельных блоков, смещенных по отношению друг к другу по тектоническим нарушениям (рис. 20, А). Именно здесь, по обе стороны от нарушений, и наблюдался водоприток, не достигавший, правда, катастрофических значений. А между нарушениями? Здесь тоннель на протяжении многих сотен метров пересекал практически безводную толщу известняков (рис. 20, Б).

Продольный профиль через трассу Ялтинского гидротоннеля (А) и средняя водоотдача трещиноватых зон (Б) (по И.Н. Васильеву)
Конечно, не следует полагать, что все проблемы гидрогеологии карста в Крыму решены. Новые исследования и, в первую очередь, массовые опыты с определением направлений движения подземных вод при помощи сильного, но безвредного органического красителя - флюоресцеина ставят перед нами новые проблемы. Оказывается, в межень и в паводок подземные воды могут двигаться разными путями и с разной скоростью. В межень сток более четко "канализирован" и краска, хоть и не сразу (иногда до полутора месяцев), "добирается" от пункта запуска до 1-2 главных источников. В паводок, напротив, она быстро (за три-четыре дня) проходит расстояние в десятки километров, но фиксируется во многих источниках, иногда располагающихся очень далеко от мест выхода краски в межень.

Изучение и объяснение этой особенности карстовых процессов в Крыму - задача ближайших десятилетий. Но для ускорения ее решения исследовательские методы карстоведения и спелеологии следует объединить с классическими и новейшими расчетными методами гидрогеологии.

Исследование обводненных пещер позволило вскрыть многие закономерности формирования и движения подземных вод горного Крыма. В популярной и даже научной литературе часто их рассматривали как огромные "резервуары", накапливающие атмосферные осадки за несколько лет и затем медленно "выдающие" воду через источники. На самом деле роль карста как регулятора стока в горном Крыму заключается лишь в том, что осадки, выпавшие на плато и на значительной части склонов горных массивов, не стекают в реки по их склонам. Они поглощаются бесчисленными закарстованными трещинами, понорами, карстовыми полостями, уходят на глубину 100-500 м и лишь потом, пройдя под землей расстояние от 1-2 до 20-30 км, выходят на поверхность в виде источников. Скорость движения воды в крупных карстовых системах довольно велика: в паводок она достигает 0,5-1,0 м/сек, что вполне соизмеримо со скоростью поверхностных водотоков. Именно поэтому после сильных ливней источники горного Крыма очень быстро (через 5-12 часов) резко увеличивают свой расход (см. рис. 16). Второй признак незначительного регулирующего значения карста Крыма-это резкие различия между минимальными (меженными) и максимальными (паводками) расходами самых крупных источников. Для р. Краснопещерной, например, меженный расход составляет 8 л/сек, паводковый - 8460, а средний годовой - всего 150 л/сек! Таким образом, коэффициент колебания расхода для нее превышает тысячу. Эта особенность режима карстовых вод порождает необходимость искусственного регулирования стока. Из рисунка 16 ясно, что как раз в те месяцы, когда водопотребление на курортах, в сельском хозяйстве и промышленности максимально, сток рек карстового питания минимальный. Поэтому необходимо создание водохранилищ на реках Крыма. В них надо собирать паводковый сток за несколько зимних и весенних месяцев, а затем расходовать эту воду летом и осенью. Именно так работают Аянское, Симферопольское, Партизанское, Чернореченское и другие водохранилища Крыма.

Но мы уже видели, что в различные годы в горах выпадает разное количество осадков. Бывают годы, когда обильные осенние и зимние дожди наполняют водохранилища еще до весеннего снеготаяния. Тогда гидротехники вынуждены пропускать весенние паводки через специальные водосбросные сооружения, и эта вода бесполезно уходит в море. В иные годы, напротив, водохранилища остаются полупустыми даже после весеннего снеготаяния, и города Крыма садятся на строгий водный паек. Один из возможных выходов - сооружение водохранилищ <межгодового регулирования>, которые могли бы аккумулировать паводковый сток за несколько лет, возвращая его человеку в маловодные годы.

Ну, а наши подземные реки? Нельзя ли все же использовать их в маловодные годы? Река Краснопещерная, прослеженная спелеологами более чем на 5 км, состоит из горизонтальных участков с уклоном 0,01 (то есть 1 сантиметр на 1 метр), разобщенных водопадами и натечными плотинами высотой от 0,5-2,0 до 20 м. Образно говоря, это серия каскадов, напоминающих известный фонтан в Никитском ботаническом саду (рис. 21).

Изменение уровней подземных озер в межень и паводок. 1-искусственные и естественные плотины. Уровень воды: 2-в межень, 3-в паводок. Запасы воды в озерах и водохранилищах: 4-в межень, 5-в паводок
В каждой ванне имеется определенный запас воды, но общий сток определяется тем количеством воды, которое перетекает через гребни плотин. Именно эти подземные озера приходится преодолевать спелеологам на лодках. Иногда они довольно велики и имеют ширину 5-10, длину 20-30 и глубину 2-5 м. Но их объем при этом не превышает 200-1500 м3, а общие запасы воды, аккумулированные во всех озерах системы реки Краснопещерной в межень, составляют всего 30-40 тыс. м3. Вода, которая переливается через гребни плотин, выходит на поверхность и пополняет Салгир и Симферопольское водохранилище. Воду, накопленную в озерах, нельзя взять из них, так как это очень сложно технически и совершенно невыгодно экономически: ведь все меженные запасы озер Красной пещеры - это одна четверть "суточного глотка" Симферополя... В паводок резко увеличиваются расход и скорость подземного потока. Он, не задерживаясь под землей, проносится по галереям пещер. Там, где встречаются сужения и сифоны, происходит подъем уровней воды на 2-5 (реже - на 20-30) метров. При этом увеличивается емкость подземных озер, и после прекращения ливней они обеспечивают еще 10-12 дней повышенные, но быстро уменьшающиеся расходы источников (см. рис. 16).

Большие скорости движения подземных вод и отсутствие в карбонатной толще Главной гряды и в карстовых пещерах песчаных прослоев, являющихся естественными фильтрами, требуют строгой и бескомпромиссной охраны яйлы как области питания наших рек. Любой очаг загрязненияпролитое горючее для тракторов, загон для овец, туристский лагерь - это угроза санитарному состоянию подземных вод. Об этом надо знать каждому хозяйственнику, каждому жителю и гостю Крыма.

Все сказанное относится к карстовым полостям, расположенным в приподнятых известняковых массивах. Но на северных склонах Крымских гор в районе Байдарской и Молбайской котловин, а также на северных склонах Агармыша имеются закарстованные зоны и отдельные пещеры, которые располагаются в условиях, позволяющих получать летом дополнительное количество карстовых вод для народного хозяйства (рис. 22). Карстующиеся верхнеюрские известняки к северу довольно круто погружаются и уходят под перекрывающие их водоупорные отложения нижнего мела. Естественно, что карстовые источники выходят в месте контакта этих пород. Именно отсюда и начинаются поверхностные водотоки, пополняющие в паводок водохранилища. А в межень? Источники дают несколько литров воды в секунду, русла высыхают... Если пробурить в пределах развития некарстующихся пород скважину, она может войти на какой-то глубине в обводненную трещиноватую зону в известняках. Начав при помощи мощных насосов откачку, легко сперва понизить этот уровень, а затем установить его в состоянии динамического равновесия, при котором приход воды из недр горного массива будет соответствовать ее отбору. Правда, при этом могут иссякнуть источники, но это не страшно, так как их меженный расход очень невелик. В паводок созданное нами искусственное подземное водохранилище быстро заполнится и поверхностный сток восстановится. Такой прием, не решая проблемы водоснабжения Крыма в целом, позволит дать воду в самые жаркие месяцы курортам западного Крыма, в районы Ласпи - Фороса и Старого Крыма. Крымская комплексная геологическая экспедиция уже имеет опыт подобных работ, но в каждом конкретном случае приходится преодолевать свои трудности, связанные с тем, что геологическое строение участка всегда оказывается более сложным, чем идеальная схема. Заинтересованы в таких работах и спелеологи: ведь при временном осушении источников должны открыться входы в обычно недоступные для исследований пещеры! Наиболее перспективен в этом отношении район Скельского источника и Скельской пещеры - глубина обводненных трещиноватых зон в ней достигает 20-30 м! К сожалению, единственная пробуренная близ нее скважина попала в слаботрещиноватую центральную часть известнякового блока и оказалась маловодной.

Так можно получить дополнительное количество воды на северных склонах Крымских гор
С изучением карстовых пещер связано решение многих важных проблем гидрогеологии. В заключение нашего краткого обзора остановимся только на одной из них - на проблеме гидрохимии карста. Мы уже знаем, что коррозионно-эрозионные полости возникают вследствие растворения и размыва горных пород текучими водами. Но как происходит растворение? Охватывает ли оно всю толщу горной породы или имеются зоны, где оно проявляется особенно сильно? Пока гидрохимические исследования ограничивались поверхностью горных массивов, большинство исследователей полагало, что растворение известняков происходит непрерывно от дневной поверхности до выходов подземных вод в виде источников, а минерализация воды плавно возрастает в этом же направлении. Если принять среднюю мощность известняков 500 м, начальную минерализацию атмосферных вод 50 мг/л, а конечную минерализацию источников 450 мг/л, то градиент выщелачивания (то есть прирост минерализации на каждые 100 м пути фильтрации) составит 80 мг/л.

...Сотни проб воды, вынесенные спелеологами в полиэтиленовых флягах из различных карстовых шахт и пещер, проходили свой обычный путь через химическую лабораторию и возвращались на столы карстологов в виде аккуратных столбиков цифр. Результаты и тут были неожиданными : растворение известняков происходит в основном в пределах верхней стометровой зоны, для которой градиент выщелачивания составляет от 260 до 320 мг/л. Ниже он уменьшается до 35-20 мг/л. Неравномерность развития коррозионных процессов в карстовом массиве еще лучше проявилась в Красной пещере.

Целый отряд спелеологов Симферополя, Севастополя, Ялты, Москвы, Харькова обеспечивал эту необычную операцию. В засифонную часть пещеры была доставлена гидрохимическая лаборатория. Химик И. Вознесенская и геолог Н. Павлова были главными героинями этой экспедиции. Шесть суток провели они под землей, производя на месте все необходимые измерения и анализы. Оказалось, что с глубины 100-150 м вниз по течению подземной реки происходит не увеличение, а общее уменьшение минерализации, сопровождающееся выпадением в русле карбоната кальция и формированием натечных плотин. Минерализация воды в источниках составляет всего 60-70% минерализации в дальней части пещеры.

Другой сюрприз преподнес гидрогеологам Ялтинский гидротоннель. В его центральной части в известняках неожиданно были обнаружены не гидрокарбонатные кальциевые воды, обычные для всех карстовых источников Крыма, а изолированные струи гидрокарбонатно-сульфатных магниево-натриевых и сульфатных натриевых вод с минерализацией до 2100 мг/л. Гидротоннель дал не только пресную питьевую воду, но и минеральную.

Итак, мы знаем теперь, как образуются карстовые пещеры и шахты Крыма, что можно встретить под землей. Конечно, это только самые общие сведения, но, быть может, их хватит для того, чтобы увлечь вас загадками и тайнами подземного мира.

Теперь мы лучше подготовлены и к непосредственному знакомству с пещерами Крыма. Счастливого путешествия!

Читайте также: