Глава 15

КАРСТ И КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА

Понятие "карст". Условия карстообразования. Гидрологический режим карстовых областей

Под термином "карст" (от названия плато Карст, или Крас, в Словении) понимают совокупность специфических форм рельефа и особенностей наземной и подземной гидрографии, свойствен­ной некоторым областям, сложенным растворимыми горными по­родами, такими, как каменная соль, гипс, известняк, доломит и др. И хотя каменная соль и гипс обладают большей раствори­мостью, чем известняки и доломиты, гипсовый и соляной карст развит сравнительно мало из-за незначительного распростране­ния этих пород, особенно выходов их на дневную поверхность. Известняки и доломиты в обычных условиях характеризуются слабой растворимостью, но распространены они несравненно более широко, чем гипс или каменная соль. Кроме того, в опре­деленных физико-географических условиях химическая агрессив­ность воды в областях распространения карбонатных пород может существенно возрастать и, если это еще сочетается с благоприят­ными геологическими условиями, возникают наиболее вырази­тельные и занимающие обширные пространства карстовые ланд­шафты, приуроченные именно к карбонатным породам. Поэтому, имея в виду преимущественную приуроченность карстовых обра­зований к областям развития известняков, можно считать, что наиболее изучен и наиболее распространен именно карбонатный (чаще известняковый) карст.

Сущность карстовых процессов заключается в растворении по­роды атмосферными, талыми, подземными, а в некоторых случаях и морскими водами.

Главное условие растворимости известняка — достаточное ко­личество растворенного С0₂ в воде. Тогда вода становится химиче­ски агрессивной и энергично воздействует на карбонатные породы. Источниками С0₂, содержащегося в природных водах, являются: атмосфера, биохимические процессы, протекающие в почве и коре выветривания, разложение органических остатков при свободном доступе воздуха, поступление углекислоты (диоксид углерода) из недр земли в областях современной или недавней вулканической деятельности. Кроме углекислоты растворяющее действие на из­вестняки могут оказывать и другие кислоты, например гумино-вая, серная, но в целом, по-видимому, главную роль в карстовых процессах играет С0₂. Объясняется это тем, что карбонаты Са и Mg, довольно трудно растворимые в воде, образуют с углекисло­той легкорастворимые бикарбонаты Са(НС0₃)₂ и Mg(HC0₃)₂.

К другим важнейшим условиям, определяющим развитие карста, относятся: 1) рельеф — на горизонтальных и пологонаклонных поверхностях, как правило, карстовые образования возникают быстрее и представлены разнообразнее, чем на крутых склонах; 2) чистота и мощность известняков — чем чище и мощнее толща известняков, тем интенсивнее они подвержены карстообразова-нию; 3) структура породы — грубообломочные или ракушечные известняки карстуются гораздо меньше, чем однородные мел­козернистые известняки; 4) климат, т.е. температурный режим, количество и характер выпадающих осадков, наличие вечной мерзлоты, препятствующей проникновению воды в карстующиеся породы; климатом обусловливается также характер растительного покрова, способствующего повышению химической агрессивности воды (вследствие разложения растительных остатков вода обо­гащается С0₂, гуминовыми кислотами, азотной кислотой и др.); 5) трещиноватость карстующихся пород — при наличии трещино-ватости возникает возможность проникновения агрессивных вод в толщу породы и образования различных форм подземного карста, а также оттока вод, насыщенных диоксидом углерода, с поверх­ности в глубь карстующихся пород.

Подземная циркуляция, т.е. гидрогеологические условия, имеют важнейшее значение для развития карстового процесса. В каждой карстовой области можно выделить три этажа, или зоны, разли­чающиеся по гидрогеологическому режиму (рис. 99). Верхняя зона охватывает толщу породы от ее выхода на поверхность до зеркала грунтовых вод. Это зона аэрации, или зона вертикальной циркуляции, в которой преобладает периодическое (во время дож­дей или таяния снега) свободное гравитационное движение воды.

В зоне периодически полного насыщения совершаются резкие ко­лебания уровня подземных вод, связанные прежде всего с перио­дическим поступлением воды с поверхности. Циркуляция воды в этой зоне близка к горизонтальной, но может происходить и с большим уклоном водной поверхности у края карстовой области. Зону периодически полного насыщения многие исследователи рассматривают как наиболее активную в отношении глубинного карстообразования, в частности пещерообразования. Границы ее — наивысший и наинизший уровни зеркала грунтовых вод.

Нижняя зона — зона постоянного полного насыщения, верхняя граница которой является наинизшим уровнем зеркала грунто­вых вод, нижняя — водоупорным горизонтом. Циркуляция в ней преимущественно горизонтальная. По окраинам карстовой области эта зона дает начало рекам, карстовым источникам, через кото­рые происходит разгрузка подземных вод на земную поверхность.

Положение зон в карстующихся массивах зависит от ряда при­чин: мощности карстующихся пород и их трещиноватости; рас­члененности рельефа карстовых областей и глубины вреза речных долин; наличия в составе карстующихся пород прослоек или линз нерастворимых глинистых пород, которые могут служить водоупорными горизонтами, способствующими образованию вер­ховодки — временному или сезонному скоплению подземных вод в зоне аэрации.

Различие гидрогеологических условий зон карстовых массивов сказывается на характере источников карстовых областей. Так, для зоны аэрации характерны временные источники, функцио­нирующие в период поступления воды с поверхности во время дождей или весеннего снеготаяния. Источники зоны периодиче­ского насыщения тоже временные, но они мощнее и функцио­нируют более длительное время, чем источники зоны аэрации. С зоной постоянного насыщения связаны постоянные источники, обладающие большим дебитом. Они получили нарицательное название воклюз (по источнику Vaucluse во Франции).

Наиболее распространенные поверхностные формы рельефа карстовых областей

В зависимости от того, выходят ли карстующиеся породы на земную поверхность или они перекрыты сверху некарстующимися отложениями, различают голый и покрытый карст (НА Гвоздецкий выделяет еще задернованный и погребенный карст). Голый карст чаще всего свойственен горным территориям, где наиболее ин­тенсивно идут процессы денудации, покрытый — равнинам. Наи­большее разнообразие форм рельефа и наибольшая активность карстовых процессов обычно свойственны голому карсту.

Дождевые или талые воды, стекая по поверхности известняка, разъедают стенки трещин. В результате образуется микрорельеф карров, или шраттов, — система гребней и разделяющих их рытвин или борозд. Борозды и гребни располагаются примерно парал­лельно друг другу, если четко выражено падение слоев и трещи-новатость пород совпадает с направлением падения. При более сложной системе трещиноватости карры располагаются беспоря­дочно, пересекаются, разветвляются и вновь сливаются. Глубина борозд может достигать 2 м.

Покрытые каррами пространства называют карровыми полями (рис. 100). По мере расширения трещин гребни становятся уже, надламываются и распадаются на отдельные обломки. Такие ста­рые карровые поля нередко представляют собой хаотические на­громождения крупных и мелких обломков известняка с кое-где сохранившимися и выступающими над этими нагромождениями карровыми гребнями. Карры могут образоваться и в прибрежной полосе при воздействии морского прибоя на карстующиеся породы.

При растворении известняков всегда остается нерастворимая часть, представленная глинистым материалом часто красного или кирпичного цвета. Этот элювиальный материал, накапливаясь на поверхности пород, образует своеобразную кору выветривания, характерную для карстовых областей, — так называемую терра-росса (красная земля). При значительном накоплении в трещинах глинистый материал терра-росса может полностью закупорить их, и тогда процесс каррообразования прекращается.

При интенсивной вертикальной циркуляции воды процесс растворения карстующихся пород приводит к образованию попо­ров — каналов, поглощающих поверхностные воды и отводящих их в глубину закарстованного массива. Размеры и форма поноров разнообразны и зависят от степени их разработанности. На поверх­ности поноры выражены зияющими трещинами или отверстиями, в глубине ими начинается сложная система каналов вертикальной циркуляции воды.

Расширение устьев поноров в процессе дальнейшего поверх­ностного растворения приводит к образованию карстовых воронок. Размеры и формы воронок зависят от возраста, типа карстующихся пород и их залегания: от щеле- и блюдцеобразных до колодцеобраз-ных (рис. 101). В покрытом карсте воронки образуются не только за счет растворения, но и в результате механического выноса — суффозии — в поноры залегающих с поверхности нерастворимых пород. Такие воронки называют карстово-суффозионными, или во­ронками просасывания. Замкнутые карстовые впадины небольших размеров (диаметром редко до сотни метров) в западноевропейской литера­туре носят название долины.

Карстовые формы рельефа обычно беспорядочно разбросаны по поверх­ности карстового массива (рис. 102, приложение 15) или сосредоточены вдоль определенных линий, обуслов- ЩеЕЕЩе^ £ ленных направлением подземного сто­ка или залеганием карстующихся по­род. Эти формы не являются "застыв­шими", они могут переходить одна

Рис. 101. Типы карстовых отрицательных форм рельефа:

А — блюдцеобразная западина просасывания; Б — воронка просасывания; В — карстовый коло­дец провального происхождения; У — некарстую-щиеся породы; 2 — карстующиеся породы

в другую. Так, карстовое блюдце в результате углубления может перейти в карстовую воронку (см. рис. 101), а карстовый коло­дец — в результате выполаживания склонов — в карстовую воронку (рис. 103).

Если стенки понора продолжают растворяться, то канал стано­вится достаточно большим и превращается в естественный коло­дец или естественную шахту. Карстовые шахты и колодцы нередко достигают очень большой глубины (нескольких десятков или со­тен метров). Одна из таких шахт-"пропастей" в Пиренеях (Пьер-Сен-Мартен) достигает глубины 1332 м, а пропасть Снежная на Кавказе — 1370 м. Общее направление шахт-пропастей близко к вертикальному, но отдельные их участки могут быть почти гори­зонтальными или наклонными. Шахты часто закладываются

на пересечении нескольких систем трещиноватости. При даль­нейшем растворении стенок шахты могут превратиться в доста­точно широкие подземные ходы и пещеры.

Естественными колодцами нередко называют формы типа ес­тественных шахт, но меньших размеров. Некоторые исследователи закрепляют термин "колодец" за формами, которые образуются не за счет поверхностного выщелачивания, а путем обрушения свода над подземной полостью. В таких случаях возникают отрица­тельные формы рельефа цилиндрической формы, с вертикальными стенками и загроможденным обломками дном. Часто такие ко­лодцы располагаются рядами, как бы отмечая на поверхности на­правление подземных галерей, над которыми они образуются.

Провальные, или поверхностные, воронки, сливаясь, образуют слепые овраги или формы довольно причудливых очертаний, по­лучившие название "увала". Известны, например, увала до 700 м в поперечнике при глубине до 30 м. Такие образования представ­ляют собой как бы переходные формы к еще более крупным кар­стовым ваннам — польям.

Полья — обширные, обычно плоскодонные, с крутыми стенками карстовые понижения в несколько километров, а в некоторых слу­чаях в несколько десятков километров в поперечнике. Например, площадь Попова полья в западной Герцеговине достигает 180 км². По ровному дну иногда протекает водоток, который в большинстве случаев появляется из одной стенки полья и скрывается в под­земной галерее в противоположной стенке.

Происхождение польев не всегда ясно. Видимо, они образуются разными путями. Некоторые исследователи считают, что полье —■ это одна из поздних стадий развития карстового рельефа, образую­щаяся за счет слияния многих карстовых воронок и котловин. Если в ходе развития карстового процесса достигается базис кар­стовой денудации — уровень грунтовых вод, дальнейшее развитие такой формы будет возможно только за счет отступания стенок, т.е. роста в ширину, что и приводит к образованию полья. Однако часто встречаются полья с сухим дном, а иногда с многочислен­ными карстовыми формами, либо приуроченными к поверхности дна полья, либо погребенными под продуктами выветривания.

Возможны и другие случаи образования польев. Прежде всего выделяют полья тектонического происхождения. Это грабены или мульды, получившие черты карстовых образований со всеми свой­ственными им морфологическими и гидрогеологическими особен­ностями, присущими карсту. Как правило, это наиболее крупные полья. Примером такого полья является уже упоминавшееся По­пово полье в Югославии. Нередко в его строении принимают участие и некарстующиеся породы.

Полья могут образоваться за счет размыва и выноса продуктов размыва нерастворимых пород, залегающих среди растворимых известняков. В этом случае размеры полья определяются массой нерастворимой породы, формой ее залегания. Стенки такого полья представляют собой отпрепарированные контакты между нераст­воримой породой и известняками. По мнению НА. Гвоздецкого, такое происхождение имеет, например, Шаорское полье в Западной Грузии.

Формирование крупной карстовой котловины (полья) может произойти за счет слияния более мелких отрицательных форм релье­фа. Очертания таких польев обычно бывают очень изрезанными. Наконец, полья могут образоваться путем провала над подземной долиной реки. О возможности подобного происхождения польев свидетельствует наличие своеобразных форм рельефа: это естест­венные мосты — остатки обрушившегося свода подземной гале­реи, соединяющие два противоположных склона полья. Таково, например, происхождение Ракбахского полья в Хорватии. По дну этого полья протекает река, которая появляется с одной стороны полья и уходит вновь в подземную полость в противоположной части полья.

Г. Лун, исследовавший карст в Западном Тавре (Турция), при­шел к выводу, что полья Западного Тавра первоначально были речными долинами, но развитие карстового процесса привело к исчезновению рек. Дальнейшее расширение брошенных долин и превращение их в полья связано с корродирующим воздействием на стенки котловин временно заливающих их вод. Накопление водоупорных продуктов выветривания на дне польев, во-первых, способствует задержанию временных вод, а во-вторых, препят­ствует дальнейшему развитию карста вглубь.