25166 (686749), страница 3
Текст из файла (страница 3)
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.
В более широких щелях вода встречает наименьшее сопротивление в виде трения о стенки. Турбулентное движение здесь происходит быстрее, и всё большая масса воды устремляется в них из трещин меньших размеров. Так постепенно некоторые системы сообщающихся трещин, направление которых совпадает с направлением подземного стока карстовых вод, развиваются быстрее и стягивают всё большее количество воды. За счёт турбулентного движения карстовых вод из щелей путём расширения коррозией и эрозией возникают каналы различного поперечного сечения. Иногда каналы имеют вид эллипса, но чаще их очертания неправильны. Это – каналовая стадия.
Первоначально поток карстовых вод занимает всё поперечное сечение каналов. Постепенно, по мере увеличения размеров этих каналов, вначале на отдельных участках, а затем и на большой части протяжения, карстовых вод периодически уже недостаточно, чтобы занять всё поперечное сечение. В верхней части остаётся пространство, заполненное воздухом. Места, где свод пещеры спускается до уровня воды и ниже, называются сифонами. Различают речные и озёрные сифоны. В весенне-осеннее время, летом во время дождей канал заполнен напорной водой.
Стекающая по каналу вода попадает либо в подрусловые (поддолинные) пустоты, либо в отложения в русле реки. Когда район, где находятся подземные карстовые каналы, за счёт движения земной коры начинает подниматься, река будет всё глубже врезаться в своё дно. Наступит момент, когда транзитная река вскроет карстовый канал. Текущие по нему воды получат выход на дно реки или по её берегу. Появится карстовый источник. Подземная река, которая течёт по каналу, приносит большие массы воды – м3/с. Такие источники называют воклюзскими или исполиновыми. Это – воклюзовая стадия.
Подземный канал не всё время занят пещерной рекой, вытекающей в виде исполинового источника. Если поднятие карстового района продолжается, то выход источника становится всё выше над уровнем воды в реке, в долине которой он вытекает. Поток карстовых вод размывает дно подземного канала. Всё большее количество воды начинает уходить по трещинам вглубь, где на более низком уровне трещины превращаются в щели, а затем в каналы. Образуется вначале пещера с рекой, затем пещера с подземными озёрами и, наконец, сухая пещера, где только после дождей в некоторых местах со сводов капает вода. Воклюзовая стадия сменяется натечно-осыпной. Когда по пещере ещё течёт река, в ней развиваются натечные образования – сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, оолиты и др. При переходе из речной в озёрную стадию по берегам водоёмов может образоваться кальцитовое обрамление, а на выступах дна – кальцитовые кружева. Кроме подземной натечной аккумуляции, происходит обрушение сводов пещер. Образуются каменные осыпи, а под органными трубами могут возникнуть и земляные. В пещере накапливается и материал другого происхождения.
Натечно-осыпная стадия сменяется обвально-цементационной. При неглубоком залегании пещеры возможно её вскрытие путём провалов потолка. Могут возникнуть карстовые окна, тоннели, мосты, арки. При более глубоком залегании происходят только обвалы сводов, обломки цементируются кальцитом (или гипсом). Новое поднятие района пещеры и возобновление глубинной эрозии приведёт к появлению ещё одного этажа и т.д. Поднятия чередуются с остановками и опусканиями – вырабатываются этажи и происходит синхронная боковая эрозия рек с образованием аккумулятивного комплекса террас.
В древних верхних этажах пещер, которые иногда начали формироваться в третичном периоде, при опускании наблюдается заполнение пещер глиной, принесённой с поверхности. Во время последующего поднятия или при увеличении количества воды, поступающей в древние пещерные ходы с поверхности, происходит вынос накопившихся глинистых и других отложений. Если эти глинистые отложения были покрыты сверху кальцитовым натечным покровом, то при выносе песчано-глинистого материала водой у стен пещер можно наблюдать прикреплённые кальцитовые щиты. Эти натечные образования повисли в воздухе, так как подстилавшие их наносы вынесены пещерным потоком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
