24. Геологическая деятельность подземных вод
24.1. Карстовые процессы
Карст представляет собой процесс растворения, или выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине. Впервые такие широко развитые процессы детально были изучены на побережье Адриатического моря, на плато Карст близ Триеста, откуда и получили свое название. К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел. В соответствии с этим различают соляной, гипсовый и карбонатный карст. Наиболее изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным распространением известняков, доломитов, мела.
Необходимыми условиями развития карста являются: 1) наличие растворимых пород; 2) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды; 3) растворяющая способность воды. Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность растворимых пород и частые ливни.
К поверхностным карстовым формам относятся:
1) кары, или шрамы, небольшие углубления в виде рытвин и борозд глубиной от нескольких сантиметров до 1-2 м;
2) поноры – вертикальные или наклонные отверстия, уходящие в глубину и поглощающие поверхностные воды;
3) карстовые воронки, имеющие наибольшее распространение, как в горных районах, так и на равнинах.
Среди них по условиям развития выделяются:
а) воронки поверхностного выщелачивания, связанные с растворяющей деятельностью метеорных вод;
б) воронки провальные, образующиеся путем обрушения сводов подземных карстовых полостей;
4) крупные карстовые котловины, на дне которых могут развиваться карстовые воронки (рис. 24.1);
5) наиболее крупные карстовые формы – полья, хорошо известные в Югославии и других районах;
6) карстовые колодцы и шахты, достигающие местами глубин свыше 1000 м и являющиеся как бы переходными к подземным карстовым формам.
Рис. 24.1 Крупная карстовая котловина
К подземным карстовым формам относятся различные каналы и пещеры. Самыми крупными подземными формами являются карстовые пещеры, представляющие систему горизонтальных или несколько наклонных каналов, часто сложно ветвящихся и образующих огромные залы или гроты. Такая неровность в очертаниях, обусловлена характером сложной трещиноватости пород, а возможно, и неоднородностью последних. На дне ряда пещер много озер, по другим пещерам протекают подземные водотоки (реки), которые при движении производят не только химическое воздействие (выщелачивание), но и размыв (эрозию). Наличие постоянных водных потоков в пещерах нередко связано с поглощением поверхностного речного стока. В карстовых массивах известны исчезающие реки (частично или полностью), периодически исчезающие озера.
Отложения в пещерах представлены несколькими генетическими типами:
1) нерастворимые продукты, или остаточные (от растворения) образования – терра-росса;
2) обвальные накопления – продукты обрушения сводов карстовых полостей;
3) аллювиальные осадки, образующиеся подземными реками;
4) озерные осадки;
5) хемогенные образования - известковый туф (травертин);
6) натечные формы – сталактиты, растущие от кровли пещеры вниз, и сталагмиты, растущие вверх. Известны также ледяные пещеры, в которых накапливаются разнообразные формы льда.
Покрытый карст отличается от открытого тем, что закарстованные породы перекрыты нерастворимыми или слабо растворимыми горными породами. Формы поверхностного выщелачивания здесь отсутствуют, и процесс протекает в глубине. В большинстве случаев здесь на поверхности образуются карстовые суффозионные (лат. "суффозио" - подкапывание) блюдцеобразные и воронкообразные формы, а также неглубокие поноры. На контакте с закарстованными породами происходит процесс перемещения материала покрывающих пород в ниже расположенные карстовые полости, в результате чего и образуются такие формы, которые Ф.П. Саваренский называл воронками просасывания. Но в ряде случаев карстово-суффозионные провальные воронки и шахты развиваются над подземными каналами и пещерами.
Степень и характер закарстованности массивов растворимых пород зависят от гидродинамических условий. По характеру движения и режима подземных вод Д.С. Соколов выделяет следующие гидродинамические зоны (рис. 24.2):
I–зона аэрации, где осуществляется главным образом нисходящее движение инфильтрационных и инфлюационных (лат. "инфлюацио" - втекание) вод, с которыми связано формирование поверхностных карстовых форм;
II–зона сезонного колебания уровня трещинно-карстовых вод.
При высоком стоянии уровня в этой зоне происходит горизонтальное движение воды, при низком – вертикальное, в соответствии, с чем осуществляется направленное выщелачивание карстующихся пород;
III–зона полного насыщения, находящаяся в сфере дренирующего воздействия местной гидрографической сети, прорезающей массив карстующихся пород. Эта зона имеет наибольшее значение в развитии подземных карстовых пещер и каналов. Но в придолинных участках образуются не только пещеры и каналы, направленные по пути движения подземных вод к руслам рек. Во многих речных долинах бурением и геофизическими методами обнаружено наличие крупных карстовых полостей значительно ниже ложа, что связано с разгрузкой подруслового потока подземных вод (рис. 24.2, III a).
Рис. 24.2. Гидродинамические зоны в карстовом массиве (по Д.С. Соколову)
I - зона аэрации; II - зона сезонного колебания уровня подземных вод с периодической сменой горизонтального и вертикального движения подземных вод; III- зона полного насыщения, находящаяся в сфере дренирующего воздействия долины реки; III a - сфера разгрузки подземных вод на дне долины; IV- зона глубокой циркуляции подземных вод вне дренирующего воздействия гидрографической сети; стрелками показано направление движения воды
Местами выражена этажность карстовых пещер. Как было сказано ранее, наблюдаются определенные направленность и цикличность развития речных долин, находящие выражение в наличии надпойменных террас. Каждая из них соответствует длительному эрозионно-аккумулятивному циклу развития речной долины. С такими террасами, расположенными на разных высотах коррелируются (лат. "корреляцио" - соотношение) карстовые пещеры (рис. 24.3). Зная возраст террас, можно приближенно оценить время формирования пещер.
Рис. 24.3. Схема карстовых пещер
При оценке степени закарстованности массива важно знать историю геологического развития района. Известны несколько возрастных генераций карста, соответствующих длительным этапам континентального развития, в течение которых происходило активное эрозионное расчленение, формирование речных долин и связанных с ними подземных вод и карстовых процессов.