22 апреля 2007 г.

Речная и карстовая системы

Перелистывая страницы Атласов крупнейших полостей мира, поражаешься многообразию их контуров. На первый взгляд между ними нет ничего общего. Но, всматриваясь, начинаешь замечать определенные законы, которым они подчиняются. Самый простой случай - это "речная" система. Подземная река, получающая основной объем питания через один вход, образует слабо наклонную, меандрирующую полость без боковых притоков. Классический случай - пещера Арктомис (Канада, рис.) или пещера Кафедрал-Фалмут (США), пройденная с аквалангом.

Много таких пещер на Кавказе (Долгая, Ростовская, Тароклде и пр.). При более крутом падении пластов образуются полости вертикального развития - чередование внутренних колодцев и шахт глубиной от 2-5 до 100-200 м и более. Таких полостей очень много. Это Ану Иффлис (Алжир), Шнеелох (Австрия), Абиссодеи Фульмини (Италия), Киевская (Узбекистан) и пр. Нередко они образуют сложную спираль, отдельные изгибы которой в плане накладываются друг на друга.

Развитием первого случая, обусловленным в основном особенностями геологического строения района, является появление в средней или нижней частях системы расширений. Классический, но до конца не ясный специалистам по горной механике случай - зал в пещере Лубанг Насиб Багус (рис.). Каким образом он сформировался и какие силы удерживают гигантский безопорный свод площадью 26 (!) футбольных полей, - пока не установлено. Реже такие расширения образуются в вертикальных колодцах (Федоровская, массив Ахцу, Россия).

Дальнейшее развитие "речной" системы - принятие ею многочисленных притоков. Иногда они более или менее равномерно распределены по всей протяженности основной галереи (Красная пещера, Крым), в других случаях сосредоточены в ее верховьях (Кастельгард, Канада, рис.). Как и наземные реки, такие пещеры имеют рисунок, определяемый развитием трещин и характером питания.

Разные типы карстовых систем
Разные типы карстовых систем
А - план, Б - разрез. 1 - Арктомис, Канада, 3496/536; 2 - Лубанг Насиб Багус, Малайзия, 2900/+423; 3 - Кастельград, Канада, 1868/387; 4 - Гуа эр Джеремин, 5160/+385; 5 - Дан де Кроль, Франция, 58300/603


Если развитие пещеры происходит при поднятии горного массива или при врезании равнинных рек в водораздельные пространства, возникают многоэтажные системы (Гуа эр Джермин, Малайзия, рис.), отдельные части которых связаны между собой колодцами или сифонными каналами. Классический пример - Красная пещера в Крыму, детально исследованная в 1958-1965 гг. Она состоит из 6 этажей, имеющих превышение друг над другом 5-8 м. Строение каждого из них разное: первый и второй этажи - это четкие каналы стока подземной реки, соединенные между собой провальными колодцами; пятый - тоже канал, образующий петли и напоминающий скорее обрывок рыбачьей сети, третий, четвертый и шестой, почти не имеющие горизонтальных участков, - извилистые узкие трубы, иногда вертикальные, иногда наклонные, расширяющиеся в небольшие залы, образующие тупиковые камеры и купола; со вторым и пятым этажами их соединяют колодцы со стенами, до блеска вылизанными водой. Вся эта путаница ходов общей протяженностью более 2 км "вписана" в небольшой известняковый блок длиной 200, шириной 60 и высотой 80 м. В настоящее время обводнен только первый этаж, по которому протекает, иногда исчезая в сифонах, подземная река, а в паводок, при подъеме ее уровня, ненадолго подтапливается второй этаж. Фрагменты этажей, находящихся между собой в таких же соотношениях, найдены и в дальней части пещеры. Они, как четки, "нанизаны" на первый этаж, по которому протекает река. Наличие на всех этажах следов эрозионной деятельности воды и песчано-глинистых отложений не оставляют сомнений в их происхождении: это "речная" система, образованная в результате постепенного врезания подземного водотока в карстовый массив. К такому же типу относится знаменитая Постойна в Словении: река Пивка, меняя свое подземное русло, сперва образовала ныне сухие лабиринты ее туристской части, а затем сместилась к западу, проходя через разобщенные сифонами пещеры Отошску, Магдалену, Черну, Пивску. При множественности пунктов поглощения на склонах массивов и на их платообразных поверхностях возникают очень сложные сети. Особенно характерны они для горных стран - Альп, Пиренеев и пр. Изучавшаяся на протяжении многих десятилетий система Дан де Кроль (Франция, рис.) сперва состояла из отдельных пещер - Тру дю Глаз, Аннели, Шевалье, Горных стрелков и пр., которые постепенно были соединены друг с другом. Для этой системы характерно обилие притоков, тупиковых колодцев и галерей, сложная система подземного дренажа со многочисленными перехватами стока. Исследования системы связаны с именами П. Шевалье (1935-1947) и М. Летрона (1960-1984), вокруг них образовались активные группы, которые довели протяженность системы до 53 км. французские спелеологи дали таким системам меткое название - сеть. В литературе оно закрепилось как научный термин: "сеть Дан де Кроль", "сеть Мирольда" и пр.

Великолепный пример такой сети - Мамонтова пещера в США. Ее 563 километра - система самых разных по морфологии ходов, заложенных в известняках, которые местами перекрывают размытые некарстующиеся породы. Вот тут-то и раскрывается тайна Мамонтовой пещеры! Она образована не одним водным потоком, а многими притоками реки Грин-Ривер. Прорезая некарстующуюся покрышку, они поглощались в разных местах в подстилающие известняки, образуя изолированные галереи верхнего уровня. Врезалась в известняки Зеленая река - вслед за ней врезались и ее притоки, постепенно образуя ходы нижних уровней. Позднее, у более молодых очагов поглощения на поверхности, образовались внутренние шахты, имеющие глубину 10-30 м и диаметр 6-10 м, соединяющие ходы разных уровней. Система росла, усложнялась, но имела бесспорную "речную" природу...

Даже после сведения всего многообразия карстовых систем к нескольким типам остаются вопросы. Почему галереи имеют именно такую, а не иную конфигурацию? Почему наряду с каскадами колодцев образуются глубокие шахты или высокие купола, "просекающие" все уровни заложения галерей? Почему формируются сами уровни, образующие или четкие, или с трудом прослеживаемые этажи в смежных частях пещерных систем? Почему наряду с широкими, "магистральными" галереями формируется сеть более узких входов? Почему... Этим вопросам нет конца, причем в каждом конкретном районе, в различных климатических, геологических, палеогеографических, гидрогеологических условиях отвечать на них приходится заново. Попробуем "разложить все по полочкам".

Вода в карстующихся породах (известняках, гипсах и каменной соли) движется по различным трещинам. Они формируются в горной породе как на стадии ее образования (литогенетические трещины), в ходе дальнейшего преобразования под действием сил сжатия и растяжения (тектонические трещины), воздействия климатических и прочих факторов (трещины выветривания и пр.). Трещины могут быть постоянно заполнены водой, или она может появляться в них периодически. Это дало основание гидрогеологам выделить две крупные зоны - зону полного насыщения и зону аэрации (в зарубежной карстологической литературе их чаще называют фреатической и вадозной зонами).

Формирование полостей начинается во фреатической зоне. В зависимости от интенсивности развития трещиноватости от точки А (поглощение поверхностного водотока, пещера-понор или шахта-понор) до точки Б (пещера-источник) вода может двигаться по разному. Согласно батифреатической теории, полностью обводненные каналы, в которых вода находится под гидростатическим давлением, закладываются на большой глубине. Исследования последних десятилетий показали, что она может достигать 300 м (Воклюз, Франция; Зимапан, Мексика).

Согласно мелкой фреатической теории, они закладываются ближе к поверхности, причем в верхних коленах сифонов могут формироваться воздушные пузыри. По этой схеме заложены галереи Аянской пещеры (Крым). Третья теория предусматривает "смешанное" развитие полостей. Такие галереи описаны в Красной пещере (Крым). И, наконец, последняя, уровенная теория предусматривает формирование галерей на уровне подземных вод. По этой схеме развиваются десятки субгоризонтальных пещер-источников во многих карстовых районах мира (Шакуранская, Грузия; Джейта, Ливан и пр.).

Однако формирование пещер возможно не только во фреатической, но и в вадозной зоне. В зависимости от особенностей питания (за счет местного поверхностного стока на плато и склонах массивов, при поглощении стока транзитных рек и пр.) 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 протяженнее 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 знакомые каждому спелеологу параллельные стволы полостей - "штаны" (шахта Напра в Грузии). Из какой "штанины" удастся проникнуть в нижнюю часть системы - дело случая и спортивной удачи.

Если сопоставить "элементарные" случаи (нами рассмотрены далеко не все из них!) с рисунком реальных карстовых систем (рис.), становится ясным, что последние - продукт взаимного наложения разных схем развития. Их бесконечное многообразие зависит от трех основных групп факторов: геологических, гидрогеологических и палеогеографических.

Геологические факторы - это тип карстующейся породы, особенности ее 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 (Берже, Франция) следуют рельефу подстилающего водоупора; другие (Хельлох, Швейцария) заложены в отдельных пластинах горных пород, надвинутых друг на друга; третьи (Воронцовская, Россия) 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; ее движение может быть ламинарным или турбулентным, подчиняющимся разным фильтрационным законам; наконец, концентрация потоков может происходить у тектонических нарушений (сбросов, сдвигов), выступающих то как барражи (своеобразные подземные плотины), то как коллекторы (проводники воды). Эти факторы в свою очередь определяют макро- и микроморфологию полостей. Опытный спелеолог по характеру поперечных сечений пещер и шахт, мелким формам на их стенах (купола, фасетки и пр.), а также отложениям на полах (гравий, песок, глина) всегда сможет определить условия образования того или иного хода.

И, наконец, палеогеография. Поверхностный и подземный рельеф находятся в непрерывном развитии: меняются условия образования отдельных форм, они накладываются друг на друга, заполняются отложениями и вновь промываются. Самая типичная ситуация - обнаружения форм, проработанных некогда во фреатической зоне, в сегодняшней вадозной зоне. Известно, что речные долины развиваются "сверху вниз", постепенно формируя глубокие ущелья и каньоны. С каждым этапом врезания рек (или поднятия горного массива) связаны свои системы пещерных галерей, которые закладываются во фреатической зоне, но затем переходят во все 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 еще больше осложняет картину: в карстовом массиве появляются элементы трех возрастов, наложенные друг на друга. Кроме отрицательных, деструктивных форм здесь возникают формы положительные, связанные с аккумуляцией разных типов, о которой мы поговорим позже.

В сложении карстовых массивов часто нарушается основной закон геоморфологии: чем выше - тем древнее.

Ограничимся приведенными примерами. Общий вывод следующий: карстовые сети - это сложнейшие разновозрастные полигенетические системы. Их образование происходит разными путями, на протяжении геологического времени, которое в переводе на обычное (историческое) летосчисление может измеряться миллионами, десятками или даже сотнями миллионов лет. Определить происхождение сложной по морфологии пещеры можно только разобравшись в "мозаике" слагающих ее элементов, сопоставив развитие поверхностного и подземного рельефа. Еще сложнее обстоит дело с определением возраста: в игру включаются отложения карстовых полостей.

Спускаясь под землю, оказываешься не только в путанице широких и узких галерей, лазов и сифонных каналов, но попадаешь в настоящие дебри гипотез их образования и развития, выбраться из которых не легче, чем из каменного лабиринта...

Дублянский В.Н.
Научно-популярная книга