Пещеры Крыма. Вертикальные полости, карстовые процессы
В 50-е гг. на Ай-Петринском горном массиве над Ялтой была организована гидрогеологическая станция. Ее цель - изучение водного баланса юго-западного Крыма - включала решение большого количества частных задач, в том числе - распределения снега на плато. Оказалось, что он залегает крайне неравномерно. Если принять количество снега, фиксируемое на площадке метеостанции, за единицу, то на плато обнаруживаются участки, где за зиму накапливается всего шесть-семь десятых от этой величины, и напротив, места, где уровень снега вырастает до двух с половиной - трех единиц. Именно здесь и обнаружены вертикальные полости, не имеющие питающих водосборов, этакие "стаканы" или "кувшины" без всякого продолжения на дне.
Нет ли связей между местами заложения таких колодцев и шахт и распределением снега? Семилетние исследования подтвердили эту гипотезу. Все 386 полостей оказались расположенными именно на участках современного или древнего повышенного снегонакопления. Оказалось, что для заложения подземелий и их роста наиболее благоприятна высотная зона 900-1000 м, где находится почти 70% таких полостей. Ниже 900 м уменьшается количество осадков, выпадающих в виде снега, выше - снега более чем достаточно, но он лежит, иногда сохраняясь целую зиму. Таким образом, самые благоприятные условия для образования нивально-коррозионных полостей (лат. nivalis снежный) создаются там, где выпадает большое количество твердых осадков, а колебания температуры способствуют их многократному сходу.
Нивально-коррозионные колодцы и шахты довольно разнообразны по форме. В зависимости от состава, строения, условий залегания и трещиноватости известняков они могут быть конусовидными, цилиндрическими или щелевидными.
Механизм их образования прост: снег, накапливаясь зимой в углублениях на поверхности, летом постепенно стаивает, растворяя известняки. Когда полость достигает предельной для площади ее входа глубины, она превращается в шахту-снежник, дальнейшее развитие которой происходит уже по другим законам. Но есть еще один, четвертый, подтип таких полостей, с маленьким, часто заваленным камнями входом и сложной морфологией. При чем же здесь снег, который никогда не попадает в такие полости в больших количествах? Более того, после сильных метелей он полностью перекрывает вход, образуя снежные мосты или пробки. Оказывается, такие полости располагаются только под структурными уступами известняков южной ориентировки, на которых накапливаются снежные карнизы (преобладающие ветры в горах зимой - с севера). Днем, даже при общей отрицательной температуре воздуха, эти карнизы стаивают (известный каждому эффект таяния снега на наклонных крышах домов). Талая вода с низкой минерализацией (10-30 мг/л), высоким содержанием углекислого газа (10-20 мг/л) очень хорошо растворяет карбонатные породы. Трещины постепенно расширяются, превращаясь в узкие колодцы со стенами, изъеденными коррозией. Затем "включается" механизм зимней конденсации, о котором мы поговорим ниже. Гидрохимические наблюдения показали, что интенсивность снеговой коррозии достигает 75 мкм в год. Таким образом, 1 метр нивально-коррозионной полости формируется в среднем за 13 000 лет, а нивально-коррозионные колодцы и шахты Крыма, глубиной 5-90 м, имеют возраст от 65 тысяч до 1,2 миллиона лет. Самые глубокие шахты отличаются внушительными входами, иногда имеющими диаметр до 12-15 м. Но и они заканчиваются слепо, без продолжений на дне...
Казалось бы, полости такого происхождения не представляют большого спортивного и научного интереса. При сегодняшней спелеологической технике спуск на 90-100 метров - задача несложная; в них почти нет натечного убранства и других отложений, несущих полезную информацию. Одно время привлекал внимание снег, накапливающийся на дне колодцев. Его запасы при максимальной мощности 12-15 метров достигали 2-5 тыс. м3 и были достаточны для снабжения водой пастушьего коша или работы холодильника. Именно так использовались в 30-е гг. XX в. многие карстовые колодцы Крыма и Кавказа. В 70-е гг. гидрогеолог Е. С. Штенгелов предложил даже специально "загружать" нивально-коррозионные полости снегом, сгребая его с поверхности. Он считал, что это существенно пополнит запасы подземных вод Горного Крыма. Произведем простой расчет: все 386 полостей этого типа, согласно выполненной топосъемке, имеют объем 80 тыс. м3. Пусть их удалось заполнить полностью, что при объемном весе уплотненного снега 0,4 тыс. м3 эквивалентно 32 тыс. тонн воды. Разделим эту величину на продолжительность теплого периода (180 сут.). В целом для Крыма получается мизерная величина - 2 л/с!
И все же нивально-коррозионные полости служат добрую службу человеку. Будучи на протяжении сотен тысяч лет накопителями зимнего холода (в них сохраняется не только снег, но и более холодный воздух), они во многом определяют геотермический режим горных карстовых массивов. Найдя узкую щель между стенками колодца и снегом, иногда можно попасть в более древние карстовые системы. Наконец, как ни странно, данные об их распределении по глубине дают ценную палеогеографическую информацию.
Вертикальные полости могут образовываться и другим путем. Близ крутых обрывов плато, на бортах речных долин и карьеров часто возникают трещины бортового отпора, приводящие к образованию уже известных нам гипергенных полостей гравитационного типа. Если это трещины в карстующихся породах, то происходит взаимное наложение друг на друга гравитационных (первичных) и коррозионных (вторичных) процессов. В результате стенки полостей моделируются растворением, покрываются углублениями - подземными каррами, различными натечными отложениями - сталактитами, небольшими сталагмитами, лунным молоком. Так возникают коррозионно-гравитационные полости различной морфологии и размеров.
Они могут иметь форму простого клина, направленного острием вверх или вниз, или - кулис, сообщающихся между собой короткими поперечными щелями. Обычно это небольшие колодцы или шахты глубиной до 40-50 м. Но иногда, при смещении крупных блоков известняков, возникают шахты глубиной до 100 м (Сююрю) или пещеры протяженностью 100-120 м (Туакская, Крым). Положение у бровки этих блоков способствует их хорошему проветриванию, стены их моделированы талыми снеговыми и конденсационными водами. Они вызывают большой спортивный интерес, хотя часто опасны из-за камнепадов.
Еще в 60-е гг., работая на Караби, крымские спелеологи обнаруживали входы в довольно крупные вертикальные полости, лишенные питания дождевыми и снеговыми водами. Они располагались на водоразделах или в верхней части склонов, на карровых полях. Найти такую шахту можно было только случайно натолкнувшись на небольшой вход в нее в густой траве или оступившись на остром известняковом гребешке. И вот тут-то, придавленный рюкзаком и ощупывающий подвернутую ногу, внезапно чувствуешь разгоряченным лицом слабое движение воздуха... Ну а дальше все просто: убрать несколько камней, сбить мешающий выступ или расчистить траву - и открывается зияющая пустота глубиной 30, 50, а то и 100 метров... В Крыму такие "подарки природы" были описаны, занесены в кадастр, но остались непонятыми. Слишком широк был тогда фронт поисковых работ, слишком много нового (до 10-15 полостей) приносили в базовый лагерь съемочные отряды, чтобы разбираться с каким-то десятком находящихся "не на своем месте" шахт...
Второй раз они напомнили о себе на плато Кырк-Тау (Средняя Азия). Прежде чем обнаружить на нем манящую почти километровой глубиной шахту Киевская, украинские спелеологи В. Рогожников и А. Климчук вдоволь налазились по мелким колодцам и небольшим шахтам, многие из которых располагались именно на карровых полях. Тогда появились первые идеи, которые только в 90-е гг. оформились в стройную концепцию эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно проходят процессы растворения и образуются различные полости. Справедливости ради надо отметить, что родилась она не на пустом месте. Отдельные ее элементы имеются в работах карстологов (Дж. Ганн), гидрогеологов (А. Манжен), инженеров-геологов (А. Чернышев) и спелеологов (Д. Форд). Александр Климчук удачно свел воедино все эти разнородные представления и снабдил их новыми фактами.
Заглавная идея этой концепции удивительно проста и, вероятно, поэтому долго не воспринималась специалистами.
Речь идет о формировании своеобразной депрессионной воронки в приповерхностной зоне вертикальной циркуляции карстовых вод. Этого было достаточно, чтобы любой уважающий себя гидрогеолог перестал слушать последующие доводы: такая воронка формируется только в полностью обводненных породах при откачке воды из скважин. При этом определение "своеобразная" как-то не воспринималось...
В большинстве карстующихся пород основным проводником воды являются трещины разного происхождения. В самой верхней части эпикарстовой зоны (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием; в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющих некоторое раскрытие; в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичные крупные тектонические трещины. Соотношения между трещинами разных типов (литогенетические, тектонические, выветривания и пр.) описаны в специальной литературе.
Теперь проделаем мысленный эксперимент. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м2). На ее поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся тектонических трещин, расширенных выветриванием, образовалось карровое поле. Прошел ливневый дождь средней интенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объеме 20 м3 (1000 м2 на 0,02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Но как она распределилась? Сперва вода заполнила 20 трещин (по 1 м3 в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м3), затем сосредоточилась в одной (20 м3). Именно здесь, не на поверхности, а под ней, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными (лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талые снеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхности появляется "готовая" карстовая шахта. Пройдет несколько лет, дождь и снег оближут острые выступы известняков, на их гранях появятся лишайники, и никто не скажет, что она сформировалась вследствие подземной деятельности капли воды...
Концепция А. Б. Климчука хорошо объясняет особенности заложения многих шахт массива Арабика (Грузия), где в 80-е гг. проводился активный спелеологический поиск. Оставалось проверить ее в Крыму, настоящей Мекке спелеологов бывшего СССР. Все известные карстовые полости были распределены по глубине по трем подзонам: 0-20, 0-40 и 0 - более 40 м. Статистическая обработка данных и их сравнение с помощью критерия Колмогорова-Смирнова подтвердили значимость различий между ними. Полости отличаются друг от друга не только по плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзоне дробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру), в глыбовой - выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а в блоковой - сохраняется одно из них. Преобладающие для Крыма направления 40-220° и 130-310°.
Предположения о распределении воды в эпикарстовой зоне подтвердились при проведении изотопного анализа. Оказалось, что дождевая вода задерживается в ее пределах довольно значительное время (до 2-3 месяцев), а при увеличении расхода источников из горного массива сперва "выжимается" содержавшаяся в нем вода иного химического и изотопного состава.
Спелеологические исследования показали, что необходимы дальнейшие, более детальные работы по изучению строения эпикарстовой зоны и ее роли в гидрогеологии и инженерной геологии карстовых массивов. Проводить эти исследования должны специалисты, но с обязательным участием спелеологов.
Нет ли связей между местами заложения таких колодцев и шахт и распределением снега? Семилетние исследования подтвердили эту гипотезу. Все 386 полостей оказались расположенными именно на участках современного или древнего повышенного снегонакопления. Оказалось, что для заложения подземелий и их роста наиболее благоприятна высотная зона 900-1000 м, где находится почти 70% таких полостей. Ниже 900 м уменьшается количество осадков, выпадающих в виде снега, выше - снега более чем достаточно, но он лежит, иногда сохраняясь целую зиму. Таким образом, самые благоприятные условия для образования нивально-коррозионных полостей (лат. nivalis снежный) создаются там, где выпадает большое количество твердых осадков, а колебания температуры способствуют их многократному сходу.
Нивально-коррозионные колодцы и шахты довольно разнообразны по форме. В зависимости от состава, строения, условий залегания и трещиноватости известняков они могут быть конусовидными, цилиндрическими или щелевидными.
Механизм их образования прост: снег, накапливаясь зимой в углублениях на поверхности, летом постепенно стаивает, растворяя известняки. Когда полость достигает предельной для площади ее входа глубины, она превращается в шахту-снежник, дальнейшее развитие которой происходит уже по другим законам. Но есть еще один, четвертый, подтип таких полостей, с маленьким, часто заваленным камнями входом и сложной морфологией. При чем же здесь снег, который никогда не попадает в такие полости в больших количествах? Более того, после сильных метелей он полностью перекрывает вход, образуя снежные мосты или пробки. Оказывается, такие полости располагаются только под структурными уступами известняков южной ориентировки, на которых накапливаются снежные карнизы (преобладающие ветры в горах зимой - с севера). Днем, даже при общей отрицательной температуре воздуха, эти карнизы стаивают (известный каждому эффект таяния снега на наклонных крышах домов). Талая вода с низкой минерализацией (10-30 мг/л), высоким содержанием углекислого газа (10-20 мг/л) очень хорошо растворяет карбонатные породы. Трещины постепенно расширяются, превращаясь в узкие колодцы со стенами, изъеденными коррозией. Затем "включается" механизм зимней конденсации, о котором мы поговорим ниже. Гидрохимические наблюдения показали, что интенсивность снеговой коррозии достигает 75 мкм в год. Таким образом, 1 метр нивально-коррозионной полости формируется в среднем за 13 000 лет, а нивально-коррозионные колодцы и шахты Крыма, глубиной 5-90 м, имеют возраст от 65 тысяч до 1,2 миллиона лет. Самые глубокие шахты отличаются внушительными входами, иногда имеющими диаметр до 12-15 м. Но и они заканчиваются слепо, без продолжений на дне...
Казалось бы, полости такого происхождения не представляют большого спортивного и научного интереса. При сегодняшней спелеологической технике спуск на 90-100 метров - задача несложная; в них почти нет натечного убранства и других отложений, несущих полезную информацию. Одно время привлекал внимание снег, накапливающийся на дне колодцев. Его запасы при максимальной мощности 12-15 метров достигали 2-5 тыс. м3 и были достаточны для снабжения водой пастушьего коша или работы холодильника. Именно так использовались в 30-е гг. XX в. многие карстовые колодцы Крыма и Кавказа. В 70-е гг. гидрогеолог Е. С. Штенгелов предложил даже специально "загружать" нивально-коррозионные полости снегом, сгребая его с поверхности. Он считал, что это существенно пополнит запасы подземных вод Горного Крыма. Произведем простой расчет: все 386 полостей этого типа, согласно выполненной топосъемке, имеют объем 80 тыс. м3. Пусть их удалось заполнить полностью, что при объемном весе уплотненного снега 0,4 тыс. м3 эквивалентно 32 тыс. тонн воды. Разделим эту величину на продолжительность теплого периода (180 сут.). В целом для Крыма получается мизерная величина - 2 л/с!
И все же нивально-коррозионные полости служат добрую службу человеку. Будучи на протяжении сотен тысяч лет накопителями зимнего холода (в них сохраняется не только снег, но и более холодный воздух), они во многом определяют геотермический режим горных карстовых массивов. Найдя узкую щель между стенками колодца и снегом, иногда можно попасть в более древние карстовые системы. Наконец, как ни странно, данные об их распределении по глубине дают ценную палеогеографическую информацию.
Вертикальные полости могут образовываться и другим путем. Близ крутых обрывов плато, на бортах речных долин и карьеров часто возникают трещины бортового отпора, приводящие к образованию уже известных нам гипергенных полостей гравитационного типа. Если это трещины в карстующихся породах, то происходит взаимное наложение друг на друга гравитационных (первичных) и коррозионных (вторичных) процессов. В результате стенки полостей моделируются растворением, покрываются углублениями - подземными каррами, различными натечными отложениями - сталактитами, небольшими сталагмитами, лунным молоком. Так возникают коррозионно-гравитационные полости различной морфологии и размеров.
Они могут иметь форму простого клина, направленного острием вверх или вниз, или - кулис, сообщающихся между собой короткими поперечными щелями. Обычно это небольшие колодцы или шахты глубиной до 40-50 м. Но иногда, при смещении крупных блоков известняков, возникают шахты глубиной до 100 м (Сююрю) или пещеры протяженностью 100-120 м (Туакская, Крым). Положение у бровки этих блоков способствует их хорошему проветриванию, стены их моделированы талыми снеговыми и конденсационными водами. Они вызывают большой спортивный интерес, хотя часто опасны из-за камнепадов.
Еще в 60-е гг., работая на Караби, крымские спелеологи обнаруживали входы в довольно крупные вертикальные полости, лишенные питания дождевыми и снеговыми водами. Они располагались на водоразделах или в верхней части склонов, на карровых полях. Найти такую шахту можно было только случайно натолкнувшись на небольшой вход в нее в густой траве или оступившись на остром известняковом гребешке. И вот тут-то, придавленный рюкзаком и ощупывающий подвернутую ногу, внезапно чувствуешь разгоряченным лицом слабое движение воздуха... Ну а дальше все просто: убрать несколько камней, сбить мешающий выступ или расчистить траву - и открывается зияющая пустота глубиной 30, 50, а то и 100 метров... В Крыму такие "подарки природы" были описаны, занесены в кадастр, но остались непонятыми. Слишком широк был тогда фронт поисковых работ, слишком много нового (до 10-15 полостей) приносили в базовый лагерь съемочные отряды, чтобы разбираться с каким-то десятком находящихся "не на своем месте" шахт...
Второй раз они напомнили о себе на плато Кырк-Тау (Средняя Азия). Прежде чем обнаружить на нем манящую почти километровой глубиной шахту Киевская, украинские спелеологи В. Рогожников и А. Климчук вдоволь налазились по мелким колодцам и небольшим шахтам, многие из которых располагались именно на карровых полях. Тогда появились первые идеи, которые только в 90-е гг. оформились в стройную концепцию эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно проходят процессы растворения и образуются различные полости. Справедливости ради надо отметить, что родилась она не на пустом месте. Отдельные ее элементы имеются в работах карстологов (Дж. Ганн), гидрогеологов (А. Манжен), инженеров-геологов (А. Чернышев) и спелеологов (Д. Форд). Александр Климчук удачно свел воедино все эти разнородные представления и снабдил их новыми фактами.
Заглавная идея этой концепции удивительно проста и, вероятно, поэтому долго не воспринималась специалистами.
Речь идет о формировании своеобразной депрессионной воронки в приповерхностной зоне вертикальной циркуляции карстовых вод. Этого было достаточно, чтобы любой уважающий себя гидрогеолог перестал слушать последующие доводы: такая воронка формируется только в полностью обводненных породах при откачке воды из скважин. При этом определение "своеобразная" как-то не воспринималось...
В большинстве карстующихся пород основным проводником воды являются трещины разного происхождения. В самой верхней части эпикарстовой зоны (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием; в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющих некоторое раскрытие; в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичные крупные тектонические трещины. Соотношения между трещинами разных типов (литогенетические, тектонические, выветривания и пр.) описаны в специальной литературе.
Теперь проделаем мысленный эксперимент. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м2). На ее поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся тектонических трещин, расширенных выветриванием, образовалось карровое поле. Прошел ливневый дождь средней интенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объеме 20 м3 (1000 м2 на 0,02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Но как она распределилась? Сперва вода заполнила 20 трещин (по 1 м3 в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м3), затем сосредоточилась в одной (20 м3). Именно здесь, не на поверхности, а под ней, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными (лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талые снеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхности появляется "готовая" карстовая шахта. Пройдет несколько лет, дождь и снег оближут острые выступы известняков, на их гранях появятся лишайники, и никто не скажет, что она сформировалась вследствие подземной деятельности капли воды...
Концепция А. Б. Климчука хорошо объясняет особенности заложения многих шахт массива Арабика (Грузия), где в 80-е гг. проводился активный спелеологический поиск. Оставалось проверить ее в Крыму, настоящей Мекке спелеологов бывшего СССР. Все известные карстовые полости были распределены по глубине по трем подзонам: 0-20, 0-40 и 0 - более 40 м. Статистическая обработка данных и их сравнение с помощью критерия Колмогорова-Смирнова подтвердили значимость различий между ними. Полости отличаются друг от друга не только по плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзоне дробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру), в глыбовой - выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а в блоковой - сохраняется одно из них. Преобладающие для Крыма направления 40-220° и 130-310°.
Предположения о распределении воды в эпикарстовой зоне подтвердились при проведении изотопного анализа. Оказалось, что дождевая вода задерживается в ее пределах довольно значительное время (до 2-3 месяцев), а при увеличении расхода источников из горного массива сперва "выжимается" содержавшаяся в нем вода иного химического и изотопного состава.
Спелеологические исследования показали, что необходимы дальнейшие, более детальные работы по изучению строения эпикарстовой зоны и ее роли в гидрогеологии и инженерной геологии карстовых массивов. Проводить эти исследования должны специалисты, но с обязательным участием спелеологов.
Дублянский В.Н.
Научно-популярная книга
