Образование карстовых пещер

Карстовые пещеры – это подземные полости, образовавшиеся и толще земной коры, в районах распространения легкорастворимых карбонатных и галогенных горных пород, подвергаясь выщелачиванию и механическому воздействию, эти породы постепенно разрушаются, что приводит к образованию различных карстовых форм.

Среди них наибольший интерес вызывают подземные карстовые формы – пещеры, шахты и колодцы, характеризующиеся иногда весьма сложным строением. Одним из основных условий образования карстовых пещер является наличие карстующихся горных пород, отличающихся значительным литологическим разнообразием.

Среди них выделяются карбонатные породы (известняки, доломиты, писчий мел, мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты) и галоидные (каменная, калийная соли). Карстующиеся породы имеют весьма широкое распространение.

Во многих местах они перекрываются маломощным чехлом песчано-глинистых отложений или непосредственно выходят на поверхность, что благоприятствует активному развитию карстовых процессов и образованию различных карстовых форм.

На интенсивность карстообразования значительное влияние оказывает также мощность пород, их химический состав и особенности залегания.

Вода - строитель карстовых пещер

Как уже говорилось, строителем карстовых пещер является вода. Однако чтобы вода могла растворять горные породы, они должны быть водопроницаемы, т. е. трещиноваты. Трещиноватость пород является одним из основных условий развития карста.

Если карбонатный или сульфатный массив монолитен и состоит из твердых разностей пород, лишенных трещиноватости, то он не подвергается воздействию карстовых процессов.

Однако такое явление встречается редко, так как известняки, доломиты и гипсы трещиноваты по своей природе. Трещины, рассекающие известняковые массивы, имеют различное происхождение.

Выделяют трещины литогенетические, тектонические, механической разгрузки и выветривания. Наиболее распространены тектонические трещины, которые обычно секут различные слои осадочных пород, не преломляясь при переходе из одного слоя в другой и не меняя своей ширины.

Тектоническая трещиноватость отличается развитием сложных взаимно перпендикулярных трещин шириной 1–2 мм. Наибольшей раздробленностью и трещиноватостью горные породы характеризуются в зонах тектонических нарушений.

Выпадая на поверхность карстующегося массива, атмосферные осадки по трещинам различного происхождения проникают в глубь этого массива. Циркулируя по подземным каналам, вода выщелачивает горную породу, постепенно расширяет подземные проходы и образует иногда громадные гроты.

Движущаяся вода является третьим обязательным условием развития карстовых процессов. Без воды, растворяющей и разрушающей горные породы, не было бы карстовых пещер.

Вот почему особенности гидрографической сети и своеобразие гидрогеологического режима в значительной мере определяют степень каверзности карстующихся толщ, интенсивность процессов выщелачивания и условия развития подземных полостей.

Дождевые и талые снеговые воды

Основную роль в формировании многих карстовых полостей играют инфильтрационные и инфлюационные дождевые и талые снеговые воды.

Такие пещеры – коррозионно-эрозионного происхождения, поскольку разрушение породы происходит как за счет ее химического выщелачивания, так и путем механического размыва.

Однако не следует думать, что эти процессы протекают одновременно и непрерывно. На разных стадиях развития пещер и на разных их участках доминирует обычно один из указанных процессов.

Образование некоторых пещер целиком связано или с коррозионными, или с эрозионными процессами. Встречаются также нивально-коррозионные пещеры, своим происхождением обязанные деятельности талых снеговых вод в зоне контакта снежной толщи с карстующейся породой. К ним относятся, например, сравнительно неглубокие (до 70 м) вертикальные полости Крыма и Кавказа.

Многие пещеры возникли в результате обвала кровли над подземными коррозионно-эрозионными пустотами. Некоторые естественные полости образовались путем выщелачивания горных пород восходящими по трещинам артезианскими, минеральными и термальными водами.

Таким образом, карстовые пещеры могут иметь коррозионное, коррозионно-эрозионное, эрозионное, нивальнокоррозионное, коррозионно-гравитационное (провальное), гидротермальное и гетерогенное происхождение.

Конденсационные воды

Помимо инфильтрационных, инфлюационных и напорных вод в образовании пещер определенную роль играют также конденсационные воды, которые, собираясь на стенках и потолке пещер, разъедают их, создавая причудливые узоры.

В отличие от подземных ручьев конденсационные воды воздействуют на всю поверхность полости, в связи с чем оказывают наибольшее влияние на морфологию пещер.

Особенно благоприятными условиями для конденсации влаги характеризуются небольшие полости, расположенные на значительной глубине от поверхности, поскольку количество конденсационной влаги находится в прямой зависимости от интенсивности воздухообмена и в обратной от объема полости.

Наблюдения, проведенные в Горном Крыму, показали, что в исследованных карстовых пещерах в течение года конденсируется 3201,6 м3 воды, а в подземных полостях всей главной гряды в 2500 раз больше (т. е. 0,008004 км3).

Эти воды отличаются большой агрессивностью. Жесткость их превышает 6 мг-экв (300 мг/л). Таким образом, за счет инфильтрационных вод пещеры Горного Крыма, как показывают несложные расчеты, увеличиваются по сравнению с общим объемом примерно на 5,3%.

Средняя минерализация конденсационных вод около 300 мг/л, следовательно, они выносят в течение года 2401,2 т (8004 • 106л X 300 мг/л) углекислого кальция. Суммарный вынос карбоната кальция карстовыми источниками Горного Крыма составляет около 45 000 т/год.

Следовательно, роль конденсационных вод в формировании подземных полостей сравнительно невелика, причем воздействие их на горную породу как агента денудации ограничивается в основном теплым периодом.