22 марта 2007 г.

Какие бывают пещеры?


Пещеры. Какие они бывают?

Во вступительных главах мы сознательно пользовались общими терминами: карстовая полость, колодец, шахта, пещера. Дело в том, что происхождение карстовых полостей до сих пор остается предметом научной дискуссии. В литературе по гидрогеологии карстовых областей сложились четкие представления о путях движения подземных вод в горном массиве (рис. 3). Вода, стекающая по карстующимся породам, образует зону поверхностного движения (рис. 3, I). Многочисленные трещины и вертикальные карстовые полости - колодцы, шахты, пропасти, (рис. 4, А-Г) отводят воду в глубь карстового массива. Сперва вода движется вниз примерно по вертикали. Это зона вертикального нисходящего движения карстовых вод (рис. 3, II). Ниже, на уровне днищ речных долин, вертикальное движение сменяется почти горизонтальным. Это зона горизонтального движения, для которой характерна постоянная обводненность (рис. 3, IV). После ливней или снеготаяния уровень воды здесь может подниматься на десятки или даже сотни метров. Поэтому между зонами вертикального и горизонтального движения выделяется зона переходного движения (или сезонных колебаний уровней), где в разные сезоны вода движется либо по вертикали, либо по горизонтали (рис. 3, III).

Схема движения карстовых вод (по Г.А. Максимовичу)Ниже располагаются зоны сифонного движения, где вода движется по довольно широким округлым каналам, полностью заполненным водой (рис. 3, V), и зона глубинного движения, где вода заполняет все поры и трещины, но движется очень медленно (рис. 3, VI).

В соответствии с этой схемой известный пермский гидрогеолог и карстовед директор Всесоюзного института карстоведения и спелеологии Г, А. Максимович предложил морфологическую классификацию карстовых полостей. В двух верхних гидродинамических зонах располагаются вертикальные карстовые формы. При диаметре более 1 м и глубине 10-20 м это колодец, при глубине более 20 м - шахта (рис. 4, А, В). Колодцы и шахты могут кончаться слепо или переходить в расширение - грот (рис. 4, А, Б). Если входное отверстие шахты имеет большой диаметр - это пропасть (рис. 4, Г); если шахта имеет горизонтальные или вертикальные ответвления - это вертикальная пещера (рис. 4, Д). Колодцы и шахты иногда могут образовываться вследствие обрушения сводов подземной карстовой полости (рис. 4, Е). Пещеры образуются в трех нижних гидродинамических зонах - переходного, горизонтального или сифонного движения. Это почти горизонтальные каналы, ныне сухие, периодически или полностью затопляемые водой (рис. 3). Из пещер вытекают источники, часто имеющие огромный расход (до 10-150 м3/сек). По имени источника Воклюз, дающего начало реке Сорг во Франции, их называют воклюзскими.

Морфологические типы карстовых полостей (по Г.А. Максимовичу)В 1958-1962 гг., начиная работы по изучению пещер Крыма, мы также придерживались этой классификации. Но постепенно стало ясно, что новый фактический материал, обработанный по одной схеме, позволяет предложить другую классификацию, в основе которой лежат особенности генезиса - происхождения пещер. Разработке этой классификации в немалой степени способствовали экспедиции в другие районы Европы и Азии, международные спелеологические конгрессы и симпозиумы.

Сегодня множество крымских карстовых полостей различной формы и размеров по происхождению можно подразделить на три класса: коррозионно-гравитационные, нивально-коррозионные и коррозионно-эрозионные полости.

Коррозионно-гравитационные полости располагаются только близ крутых обрывов южного и северного склонов Главной гряды Крымских гор. Неравномерная деформация горных пород под действием силы тяжести (гравитационных процессов) приводит к образованию узких трещин, параллельных склону. Их постепенное расширение вызывает отделение известнякового блока от коренного массива (рис. 5, А). Трещины постепенно превращаются в узкие клиновидные колодцы и шахты, в верхней части доступные для человека. Иногда крупная глыба известняка не отваливается от коренного массива, а соскальзывает по поверхности водоупорных глинисто-песчаниковых пород. Тогда между нею и бортом массива образуются трещинные пещеры, имеющие в поперечном сечении вид клина, сужающегося кверху (рис. 5, Б). Таким образом, образование подобных колодцев, пещер и шахт не связано с растворяющей и размывающей деятельностью воды. Она проявляется здесь позже, когда в уже достаточно широко раскрытые трещины отседания попадает снег.

Коррозионно-гравитационных шахт и пещер в Крыму немного - всего 30. Но иногда они достигают внушительных размеров. Например, шахта Сююрю и пещера Дубовая в основании огромного известнякового отторженца Сююрю-Кая у входа в Большой каньон имеют глубину 110 и длину 150 м. К этой же группе принадлежит знаменитая Туакская пещера на южном обрыве Караби: ее три параллельных трещинных зала имеют общую длину 110 м. Иногда коррозионно-гравитационные шахты встречаются и далеко от обрыва, в скальных блоках известняковых отторженцев (например, 80-метровая шахта на горе Кошка под Симеизом).

Изредка похожие полости образуются и в центральной части горных массивов. Но в этом случае образование трещин происходило под действием тектонических процессов. Такие полости состоят из крупного зала, загроможденного огромными глыбами известняка. Между глыбами иногда удается пробраться на значительную глубину: 30, 50, а иногда и более 100 м от поверхности (рис. 5, В). Глыбовый завал продолжается и дальше, но трещины и щели становятся непроходимыми для человека или, как в Скельской пещере на Ай-Петринском массиве, затоплены водой...

Коррозионно-гравитационные полости обычно сравнительно невелики по размерам, труднодоступны, бедны натечным убранством и не интересны для туристов. Исключение представляют известные своими натечными образованиями Туакская пещера на Караби, Ставрикайская - на Ялтинском массиве, а также несколько спортивных шахт и пещер I-II категорий трудности. В коррозионно-гравитационных полостях летом и зимой происходит конденсация влаги, зимой скапливается снег, постепенно стаивающий летом. Но в целом роль их в водном балансе Главной гряды невелика, так как общий объем полостей этого класса составляет всего 36 тыс. м3.

Поперечные разрезы коррозионно-гравитационных полостейНивально-коррозионные полости представлены колодцами и шахтами, не имеющими боковых ходов на дне. В горном Крыму известно более 500 таких карстовых форм. Зимой в Крыму выпадает 360-700 мм твердых осадков. Если снегопад сопровождается сильными ветрами, то распределение снега на плато неравномерно: с одних участков ветер его сдувает и переносит на другие. В 1957-1963 гг. техник А. В. Афанасьев и автор произвели 31 снегосъемку на специально выбранном типичном участке Ай-Петринского массива. Маршрут был проложен таким образом, что наблюдения велись за всеми элементами карстового рельефа плато. Статистическая обработка экспериментального материала дала неожиданные результаты. Если принять средние запасы влаги по участку наблюдений за 100%, то их распределение по разным элементам рельефа будет следующим: на водоразделах - 41%, на склонах южной экспозиции-121%, на облесенных участках плато-138%, в карстовых воронках-162%, под крутыми обрывами-280%! Но ведь именно здесь, где формируются максимальные запасы влаги в снеге, обнаружены почти все колодцы и шахты! Не в этом ли кроется тайна их зарождения и развития?

Проанализировав условия заложения всех 500 вертикальных полостей Крыма, мы приходим к выводу: да, они образовались именно на тех участках плато, где наблюдаются максимальные снегозапасы. В 90% случаев колодцы и шахты не имеют значительных питающих водосборов, то есть могут собирать жидкие осадки только с площади, не намного превышающей площадь входа. Значит, они образованы не размывом, а растворением, причем главную роль играют процессы нивальной (снеговой) коррозии. Так появился термин нивально-коррозионные полости. Однако почему талые снеговые воды производят такую огромную разрушительную работу? Пришлось заняться гидрохимической стороной вопроса: развернуть на Ай-Петри лабораторию и изучать агрессивные свойства талого снега. Здесь нас ждала очередная неожиданность: снеговые воды растворяют максимальное количество известняка только в зоне своего образования. Если талая вода стекает в карстовую полость по поверхности мерзлого грунта или по снегу, ее агрессивность быстро убывает и уже в 15-20 м от места образования составляет всего 10-15% начальной!

Теперь стало ясно, как образуются подобные полости. Настало время заняться частными случаями: их формой и глубиной. По форме стволов удалось выделить четыре подтипа нивально-коррозионных полостей: конусовидные, цилиндрические, щелевидные и сложные (рис. 7, А-Г). Колодцы и шахты конусовидного подтипа имеют округлое входное отверстие большого диаметра (5-30 м) и постепенно сужаются ко дну. Обычно они образуются в неслоистых или толстослоистых известняках вдоль трещин.

Планы и поперечные разрезы нивально-коррозионных полостейЦилиндрические полости почти не меняют величину поперечного сечения до самого дна. Но в их стенах довольно много ниш и наклонных ходов самых различных размеров и конфигураций. Эти полости заложены по тектоническим трещинам трех-четырех направлений и поэтому имеют неправильные по очертаниям поперечные сечения различной формы. Щелевидные колодцы и шахты, напротив, вытянуты вдоль одной преобладающей системы трещин и поэтому имеют одну длинную и одну короткую оси (рис. 7, В). Стенки, параллельные длинной оси, обычно гладки и вертикальны; параллельные короткой оси - имеют неправильные очертания, усложненную конфигурацию.

Нивально-коррозионные полости активно развиваются до тех пор, пока тает снег, попавший в них зимой. Но приходит время, когда шахта или колодец углубляются настолько, что снег летом не успевает растаять. На дне полости начинает расти снежно-ледовый конус, а растворение известняков под ним замедляется. Так возникает шахта-ледник. Сейчас в Крыму известно около 30 таких полостей. В некоторых из них мощность снега превышает 10-14 м (шахты Водопойная на Ялтинском массиве, Хар-Хосар на верхнем плато Чатыр-Дага и др.). Еще до войны, когда заводов по производству искусственного льда было немного, снег и лед из таких шахт возили на Южный берег Крыма В гидрологической литературе и сейчас повторяются без всяких оговорок утверждения ялтинского инженера К. Кельтсера о том, что многие источники на склонах Крымских гор питаются за счет <огромных запасов влаги, скапливающейся в виде снега на дне карстовых шахт>. Зимой 1965-1966 и 1966-1967 гг., спустившись в несколько десятков нивально-коррозионных шахт Ай-Петри и Чатыр-Дага, спелеологи замерили глубину и плотность снега, а затем рассчитали его запасы на дне. Дальше все просто: общая площадь дна всех карстовых полостей этого класса известна, умножив ее на средние влагозапасы к началу весны, получаем величину 20 тыс. м3. Получается, что этого количества снега и льда хватит всего лишь на один источник со средним расходом в течение лета 1,3 л/сек...

Но тающий снег, как мы уже знаем, растворяет известняки, углубляет колодцы и шахты. Как быстро происходит этот незаметный процесс? Теперь химическую лабораторию пришлось спустить под землю. Как показали исследования, ежегодный прирост глубины подобных полостей составляет 75 микрон. Нивально-коррозионные полости углубляются на метр в среднем за 13000 лет; время образования самых глубоких полостей этого класса (50-60 м) составляет 650-800 тысяч лет! Конечно, это средние цифры, которые нуждаются в проверке и уточнении. Совершенно неожиданно помогли проверить их археологи: на стенах шахты Студенческая на Карабийском массиве, на глубине более 20 м от поверхности, были обнаружены таинственные знаки. Наиболее древние из них - солярные (символы солнца) в виде глубоко процарапанных кругов-колес со спицами. Этот культ был широко распространен у первобытного человека с конца III - начала II тысячелетия до нашей эры, и находки эти не удивили археологов. Насторожило их другое: знаки нанесены на скалу не на уровне глаз стоящего или сидящего человека, а на 35-40 см выше. Чтобы скопировать их, пришлось сооружать помост. Сделаем несложные расчеты. За 4 тысячи лет глубина шахты Студенческой должна была увеличиться... примерно на 31 см!

Нивально-коррозионные полости четвертого подтипа совсем не похожи на уже знакомые нам довольно широкие колодцы и шахты трех предыдущих подтипов. Они имеют узкие, незаметные входы, очень сложную конфигурацию и значительную (до 50-70 м) глубину. Шахты образуются или по трещинам напластования в круто падающих слоистых известняках (рис. 7, Б) или по одной-двум системам тектонических трещин. В чем причины таких существенных морфологических отличий? И не ошиблись ли мы, относя этот подтип полостей к нивально-коррозионному классу? Ведь на их дно никогда не попадает снег, а входное отверстие часто почти полностью завалено глыбами известняка. Микроклиматические наблюдения на поверхности и под землей показали, что подобные колодцы и шахты почти всегда располагаются под южными обрывами. Ветер все время приносит сюда новые и новые порции снега, образующего над входом в полость мощные карнизы. Благоприятные условия инсоляции приводят к тому, что в солнечные дни этот снег подтаивает даже при общей отрицательной температуре воздуха на яйле (именно так тает снег на крышах домов в морозный, но солнечный зимний день!). Капля за каплей агрессивные талые воды углубляют шахту, хотя она не имеет питающего водосбора. Теплый воздух, поднимающийся из шахты на поверхность, непрерывно выносит из нее влагу, которая конденсируется на поверхности снега. Талая снеговая вода поступает обратно в шахту. Так возникает своеобразный, но очень активный <малый круговорот влаги>, который приводит к быстрому (до 150-200 микрон в год!) углублению шахты.

Нивально-коррозионные полости обычно довольно бедны натеками. На их стенах редки сталактиты и натечные коры. В колодцах и шахтах часто находят кости различных животных, попавших в них как в ловушки. Такие полости не привлекают спортсменов - они легкодоступны, однако через них часто удается попасть в более интересные коррозионно-эрозионные системы.

Коррозионно-эрозионные полости. Карстологи часто сравнивают поверхность крымских яйл с лунным ландшафтом: всюду множество воронок, разделенных перемычками, валами, грядами... На нижнем плато Чатыр-Дага учтено более 700 карстовых воронок: в западной части плато они вытянуты рядами вдоль пластов слоистых известняков, в восточной разбросаны беспорядочно, так как здесь обнажаются неслоистые известняки. В то же время пещеры Чатыр-Дага имеют самые разные уклоны. Что же определяло направление движения воды под землей? Пришлось заняться палеогеографическими реконструкциями. Дешифрование аэрофотоснимков, анализ топографических карт и контрольные нивелировки на поверхности и под землей, проведенные С. М. Зенгиной и Н. В. Павловой, показали, что некогда на месте современного карстового рельефа существовала древняя речная долина (рис. 8). Вот к этой-то древней долине и оказались направленными все карстовые пещеры. Часть из них - это пещеры-поглотители, собирающие воду со своих поверхностных водосборов и уводящие ее в долину, часть - подрусловые каналы стока.

Размещение коррозионно-эрозионных полостей Чатыр-дага на фоне его древней гидрографической сетиТакие же связи карстовых пещер с древней гидрографической сетью были обнаружены на Караби, Долгоруковском массиве, Ай-Петри. Не противоречили этим предварительным выводам и гидрогеологические данные. Г. А. Максимович и французский гидрогеолог Бернард Жез считали, что в горных массивах карстовые полости объединяются в разветвленные водоносные системы. И если сегодня они не прослеживаются полностью, то это объясняется их разобщением карстово-аккумулятивными отложениями (глина, щебенка, натечные образования, лед, вода) или тем, что часть их уже уничтожена в ходе геоморфологического развития местности. Карстовые водоносные системы формируются за счет поглощения поверхностных водотоков (инфлюации). Их размеры зависят от характера питания. Наибольших размеров они достигают при снежно-ледниковом питании или питании с площадей, сложенных некарстующимися породами.

По форме и структуре отдельных частей карстовые водоносные системы и полости можно разделить на три морфологические группы. Их верхние звенья - это полости, поглощающие поверхностный сток. В зависимости от геологических условий они используют или трещиноватость напластования или вертикальные и крутонаклонные тектонические трещины. При наклонном заложении это пещеры-поноры (рис. 9, А), (Партизанская на Ай-Петри, Малый Бузлук на Караби и пр.); при вертикальном - шахты-поноры (рис. 9, Б), (Каскадная на Ай-Петри, Ход Конем на Чатыр-Даге, Молодежная на Караби). Входы в эти полости почти всегда располагаются на днищах или на бортах современной или древней гидрографической сети на плато, часто в месте контакта известняков и слабо карстующихся пород (шахты Провал на Долгоруковском массиве и Солдатская на Караби) или у крупных разломных зон (шахта Гвоздецкого на Караби).

Строение карстовых водоносных системНижние звенья водоносных систем открываются на склонах горных массивов галереями пещер-источников. Это могут быть современные, постоянно действующие источники, проникнуть в которые можно только с аквалангом (Аянская пещера на Чатыр-Даге), откачав или спустив воду из входного озера (рис. 9, Г), (пещера Алешина вода на Долгоруковском массиве). Иногда такие пещеры подтапливаются лишь на короткое время (рис. 9, Д), (нижние галереи Красной пещеры, Узунджинская пещера на Ай-Петри) или, как большинство подобных пещер, уже не заливаются водой на протяжении всего года (рис. 9, Е). Эти три стадии в жизни пещер соответствуют их молодости, зрелости и старости. В специальной литературе ведется жаркая дискуссия о том, какой морфологический облик приобретают пещеры в ходе своего развития при постепенном понижении уровня карстовых вод. Наиболее распространена в СССР схема Г. А. Максимовича, согласно которой пещеры последовательно проходят трещинную, щелевую, каналовую, коридорно-воклюзовую, коридорно-речную, коридорно-гротовую, натечно-осыпную и обвально-цементационную стадии. Применение этой и аналогичных схем, несмотря на их теоретическую стройность и аргументированность, встречает ряд трудностей. Дело в том, что отдельные участки одной и той же пещеры (например. Красной) могут находиться на разных стадиях развития.

В идеальном случае полости-поноры и пещеры-источники смыкаются под землей в единую водоносную систему. Но на практике так бывает редко. В Крыму, например, нет ни одной карстовой системы, которую удалось пройти от <истоков до устья>. Для того чтобы доказать принадлежность верхних и нижних звеньев к единой системе, приходится использовать методы окрашивания воды флюоресцеином, запуска соли, спор папоротника, полистироловых шариков, радиоактивных изотопов, геофизические методы исследования, производить детальный анализ минералогического состава вмещающих пород и заполнителя карстовых полостей. Но самым лучшим доказательством всегда является прямое прохождение. Именно поэтому севастопольские спелеологи в последние годы провели несколько экспедиций в Красную пещеру, стремясь пройти таинственные 1700 метров, отделяющих 5-й обвальный зал от самой нижней точки шахты-понора Провал. Пока им удалось преодолеть только сложный 18-метровый карстовый сифон (галерею, полностью затопленную водой)...

Значительно чаще между верхними и нижними частями карстовых водоносных систем остаются <белые пятна>, составить представление о топографии которых довольно трудно. Но постепенно и здесь наметилось решение. Спелео логи все чаще начали наталкиваться на удивительные по морфологии карстовые полости. Их входные отверстия располагаются на любом элементе современного рельефа (рис. 11). Это может быть небольшое отверстие (А) или гигантский провал (Б) на водоразделе между карстовыми котловинами (Тиссовая и Большой Бузлук на Караби), узкая щель в борту карстовой воронки (В) или такая же щель на дне нивально-коррозионного колодца (Г) или шахты (Профсоюзная и Кастере на Караби), округлое <окно> в стенке нивально-коррозионной шахты (Д) или горизонтальный канал (Е) в борту карстовой котловины (Севастопольская на Ай-Петри и Бинбаш на Чатыр-Даге). Варианты входов в подобные полости бесконечны. Но важно другое: с поверхности, из воронки, котловины или нивально-коррозионных колодцев и шахт мы попадаем в горизонтальную или наклонную полость совершенно иного происхождения и морфологии. Она как бы вскрыта коррозией, эрозией или денудациеи. Раньше такие сложные формы называли вертикальными пещерами (см. рис. 4, Д). Мы предложили другой термин - вскрытые пещеры. Как показали дальнейшие исследования, они-то и оказались недостающим средним звеном карстовых водоносных систем (рис. 11, В).

Различные случаи образования вскрытых пещерПещеры и шахты-поноры, вскрытые пещеры и пещеры-источники имеют коррозионно-эрозионное происхождение. Они обязаны своим формированием в основном размывающей деятельности воды. Об этом свидетельствуют их значительные размеры (соотношение среднего объема коррозионно-гравитационных, нивально-коррозионных и коррозионно-эрозионных полостей Крыма составляет 1:4: 22), морфология (наличие форм, выработанных текучими водами), отложения (хорошая окатанность обломков горных пород, наличие в их составе пород и минералов, принесенных издалека). Подземные воды создают эрозионные формы, которые покрываются ребрами, кавернами выщелачивания. К этому классу принадлежат все самые крупные и наиболее интересные в научном отношении карстовые полости Крыма и всего мира. В карстовых водоносных системах Пьер-Сен-Мартен и Жан-Бернар во Франции достигнуты максимальные глубины 1322 и 1298 м от поверхности. К этому классу относятся и длиннейшие в мире пещерные системы Мамонтова вместе с Флинт-Ридж в США (290 км) и Хёллох в Швейцарии (123,8 км), а также все крупнейшие пещеры Советского Союза.

В этих полостях движутся мощные подземные потоки, питающие основные источники карстовых областей всего мира. В них есть все виды пещерных отложений, наиболее богата спелеофауна, чаще встречаются следы жизнедеятельности древнего человека. Наконец, эти шахты и пещеры наиболее трудны и опасны для прохождения и исследования. Здесь спелеолога ждут разнообразные препятствия:

скопления снега и льда от привходовой части до глубины 100-200 м, вертикальные колодцы и шахты глубиной от 40-50 до 300-400 м, узкие щели и сифоны, где надо передвигаться "на выдохе" или применять подводное снаряжение. Если добавить, что входы в такие полости часто располагаются в труднодоступной горной местности, на высоте 1500-2500 м, что температура воды в них обычно не превышает 4-7°, что ее уровень может внезапно подняться на 10-20 м, то понятно, что в спортивных классификациях они оцениваются высшими (IV, V) категориями сложности. Таким образом, коррозионно-эрозионные полости наиболее интересны в научном, хозяйственном и спортивном отношении.

Единая общепринятая классификация карстовых полостей еще не создана. Поэтому многие исследователи карста в СССР и за рубежом выделяют иные классы и типы карстовых пещер. В этом направлении еще предстоит провести немало исследований, для которых карстовые полости Крыма представляют великолепный эталон.

Ссылки по теме:

Вернуться к оглавлению