ПОНЯТИЕ «КАРСТ». УСЛОВИЯ КАРСТООБРАЗОВАНИЯ. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ КАРСТОВЫХ ОБЛАСТЕЙ

Под термином «карст» 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 может в известняковых областях существенно возрастать и, если это еще сочетается с благоприятными геологическими условиями, возника­ют наиболее выразительные и занимающие обширные пространст­ва карстовые ландшафты, приуроченные именно к известнякам. Поэтому, имея в виду преимущественную приуроченность карсто­вых образований к областям развития известняков, можно считать, что наиболее изучен и наиболее распространен именно известня­ковый карст.

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

Главное условие растворимости известняка — достаточное коли­чество растворенного СО₂ в воде. Тогда вода становится химиче­ски агрессивной и энергично воздействует на карбонатные породы.

Источниками СО₂, содержащегося в природных водах, явля­ются: атмосфера, биохимические процессы, протекающие в почве и коре выветривания, разложение органических остатков при свободном доступе воздуха, поступление углекислоты из недр земли в областях современной или недавней вулканической деятельности. Кроме углекислоты растворяющее действие на известняки могут оказывать и другие кислоты, например гуминовая, серная, но в целом, по-видимому, главную роль в карстовых процессах игра­ет СО₂.

К другим важнейшим условиям, определяющим развитие карста, относятся: а) рельеф—на пологонаклонных поверхностях, как правило, карстовые образования возникают быстрее и представлены разнообразнее, чем на крутых склонах; б) чистота и мощность известняков — чем чище и мощнее толща известняков, тем интен­сивнее они подвержены карстообразованию; в) структура поро­ды — грубообломочные или ракушечные известняки карстуются гораздо меньше, чем однородные мелкозернистые известняки; г) 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

Рис. 72. Идеальный карстовый массив (по И. С. Щукину):

вода обогащается углекисльш газом, гуминовыми кислотами, азотной кислотой и т. п.; д) трещи-новатость карстующихся пород — при наличии трещиноватости возникает возможность проникновения агрессивных вод в толщу породы и образования различных форм подземного карста, а так­же оттока вод, насыщенных углекислотой, 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. 72). Верхняя зона охватывает толщу породы от ее выхода на поверхность до зеркала грунтовых вод. Это зона аэрации, или зона вертикаль­ной циркуляции. Здесь преобладает свободное гравитационное дви­жение воды, происходящее периодически, во время дождей или тая­ния снега.

Следующая зона получила название зоны периодически полно­го насыщения. Здесь 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 ее граница — наинизший уровень зеркала грунтовых вод, ниж­няя— водоупорный горизонт. Циркуляция здесь 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, впервые описанному во Франции в районе Воклюз).
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 закрытый (покрытый) карст. Голый карст чаще всего свойствен горным территориям, где наиболее интенсивно идут процессы денудации, закрытый — равни­нам. Наибольшее разнообразие форм рельефа и наибольшая актив­ность карстовых процессов обычно свойственна 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 друга, если четко выражено падение слоев и трещиноватость пород совпадает с направлением падения. При более сложной системе трещиноватости карры располагаются совершен­но неправильно, пересекаются, разветвляются и вновь сливаются. Глубина борозд может достигать 2,0 м.

Карры могут образоваться и в прибрежной полосе при воздей­ствии морского прибоя на карстующиеся породы.

При интенсивной вертикальной циркуляции воды процесс ра­створения карстующихся пород приводит к образованию понор - каналов, поглощающих поверхностные воды и отводящих их в глу­бину закарстованного массива. Величина и форма понор 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 устий понор в процессе дальнейшего растворения приводит к образованию карстовых воронок различных размеров и форм в зависимости от возраста, типа карстующихся пород и их залегания: от щеле- и колодцеобразных до блюдцеобразных (Рис. 73). В закрытом карсте воронки образуются не только за счет растворения, но и в результате механического выноса — суффозий — в поноры залегающих с поверхности нерастворимых пород. Такие воронки называют карстово-суффозионными или воронками присасывания. Карстовые блюдца, воронки и неглубокие колодцы в западноевропейской литературе носят название долины.

Карстовые формы рельефа могут быть беспорядочно разброса­ны по поверхности карстового массива или сосредоточены вдоль определенных линий, обусловленных направлением подземного стока или залеганием карстующихся пород. Эти формы не яв­ляются «застывшими». Они могут переходить одна в другую. Так, карстовое блюдце в результате углубления, а карстовый колодец

Рис. 74. Превращение колодцеобразного провала (А) в воронкообразную

Если стенки понора продолжают растворяться, то канал ста­новится достаточно большим и превращается в естественный коло­дец или естественную и шахту. Карстовые шахты и колодцы нередко

Естественными колодцами нередко называют формы типа есте­ственных шахт, но меньших размеров. Некоторые исследователи закрепляют термин «колодец» за определенными 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 700м в поперечнике при глубинах до 30 м. Такие образования представ­ляют собой как бы переходные формы к еще более крупным кар­стовым ваннам — польям.

Полья — обширные, обычно плоскодонные и с крутыми стенка­ми карстовые понижения в несколько километров, а в некоторых случаях — в несколько десятков километров в поперечнике. Пло­щадь Попова полья в западной Герцеговине (Югославия) дости­гает, например, 180 км². По ровному дну полья 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. При этом 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, довольно часто, встречаются полья с сухим дном, а то и с многочисленными карстовыми формами, либо приуроченными к поверхности дня полья, либо погребенными под продуктами вы­ветривания.

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 Н. А. Гвоздецкого, та­кое происхождение имеет, например, Шаорское полье в Западной Грузии.

Третий путь образования полья уже упоминался — это формиро­вание крупной карстовой котловины 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 таких своеобразных форм рельефа, как естественные мосты — остатки обрушившегося свода подземной галереи, соединяющие два противоположных склона полья. Таково, например, происхождение Ракбахского полья в. западной части Югославии. По дну этого полья протекает река, которая появля­емся 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 пологов, во-первых, спо­собствует задержанию временных вод, а во-вторых, препятствует дальнейшему развитию карста вглубь.

РЕКИ И ДОЛИНЫ КАРСТОВЫХ ОБЛАСТЕЙ

Среди немногочисленных поверхностных водотоков карстовых областей по гидрологическому режиму и морфологии речных долин И. С. Щукин выделяет пять типов.

1. 
   Эпизодические речки, долины которых не выходят из зоны аэрации. Вода в таких неглубоко врезанных долинах появляется только во время сильных ливней или бурного весеннего снеготая­ния, когда имеющиеся в русле поноры не успевают отводить всю
   поступающую воду вглубь.
   
2. 
   Постоянно текущие реки, днища долин которых, лежат выше уровня грунтовых вод карстового массива. Это обычно достаточно многоводные реки, начинающиеся за пределами карстовой области, которые хотя и теряют воду при прохождении через карстующиеся породы, но не иссякают совершенно. Долины таких рек часто представляют узкие, глубокие, крутостенные каньоны. Крутизна стенок долин поддерживается как за счет подмыва и коррозии ос­нования склонов, так и слабого развития делювиальных процессов на склонах. Обусловлено это быстрым переводом поверхностного стока на окружающих долину пространствах в подземный.
   
3. 
   Постоянно текущие реки, долины которых врезаны до уровня грунтовых вод, которыми они в основном и питаются. Морфология долин этих рек сходна с долинами рек предыдущего типа, но име­ются и различия. Часто склоны долин рек (по направлению к ис­току) заворачивают навстречу друг другу и смыкаются в виде стены, в основании которой из грота и выходит река. Такие долины с замкнутым верхним концом называют мешкообразными (долина
   реки Биюк-Карасу в Крыму). Встречаются долины, которые не име­ют устья, т. е. они не открываются в другую долину или в какой-то водоем, а оканчиваются тупиком. Такие долины принято назы­вать слепыми. От слепых следует отличать полуслепые, которые тоже замкнуты на нижнем конце, но уступ, в который «упирается» водоток, низкий, и во время половодья вода переливается через него. Нижняя часть долин таких рек представляет собой неглубоко врезанную ложбину, сухую в течение большей часть года.
   

4. 
   Реки, которые прорезали не только всю толщу карстующейся породы, но и углубились в подстилающие водоупорные породы. Они характеризуются не только постоянным, но все увеличиваю­щимся водотоком за счет питания многочисленными ключами, вы­ходящими по линии контакта известняков с водоупорными поро­дами. Различие в строении склонов долин этого типа находит от­ражение в морфологии их поперечных профилей: верхние части склонов долин, сложенные известняками или доломитами, крутые, нижние обычно более пологие (см. рис. 72). На склонах долин мо­ гут быть развиты оползни и блоки отседания.
   
5. 
   Подземные, или пещерные, реки, протекающие по системе подземных галерей. Они зарождаются или в пределах карстового массива, или начинаются , а его пределами. Иногда подземные реки выходят «а поверхность из гротов в виде мощных воклюзных источ­ников.
   

Образование пещер связано с растворяющей деятельностью во­ды, проникающей в трещины. Расширяя трещины, вода создает в толще породы сложную систему каналов. В зоне горизонтальной циркуляции, где вода производит наибольший растворяющий эф­фект, образуется магистральный канал, который постепенно рас­ширяется за счет соседних небольших трещин и стягивает воды из смежных каналов. Так постепенно формируется подводная река. Но при расширении новых трещин и частичной закупорке старых каналов принесенным с поверхности обломочным материалом или вследствие обрушения сводов река может проложить себе новый подземный путь стока, а прежние галереи становятся сухими.

Пещера может иметь лишь одно входное отверстие. На проти­воположном конце она будет заканчиваться либо системой очень узких ходов и трещин, либо обвальными или натечными образова­ниями, закупоривающими ее. Такие пещеры называют слепыми. Возможны пещеры с выходами с двух сторон. Это проходные пе­щеры.

Во многих пещерах на днищах, стенках или сводах образуются натечные формы. С потолка пещеры свешиваются в виде сосулек узкие и длинные сталактиты, состоящие из кальцита и в разрезе обычно имеющие концентрическое строение. Со дна пещеры на­встречу сталактитам поднимаются более массивные и короткие формы, называемые сталагмитами.

Нередко сталактиты и сталагмиты срастаются и образуют на­течные колонны. Близко расположенные сталактиты, сливаясь, создают натечные занавеси. Стены пещер бывают также покрыты натеками, из кальцита.

Натечные формы образуются не в каждой пещере. В глубоко расположенных пещерах натечные формы часто не возникают, так как вода теряет растворенный в ней бикарбонат кальция еще ра­нее, в более высоких пещерных горизонтах. Наличие подземных рек и озер также нередко препятствует возникновению натечных образований, так как при этом возможны большие периодические подъемы уровня воды, при которых вся пещера оказывается за­полненной водой.

Интересно, что в некоторых пещерах накапливается лед. Такие пещеры так и называют ледяными или холодными. Ледяные пеще­ры известны в Крыму, в Дагестане. Наиболее значительная среди них — знаменитая Кунгурская пещера на Урале. Для накопления льда и снега необходимы, во-первых, соответствующие климатиче­ские условия (в тропиках ледяных пещер не бывает), а во-вторых, благоприятная конфигурация пещеры. Если, например, вход в пе­щеру идет не по горизонтали, а сверху вниз, то возникают благо­приятные условия для накопления в пещере холодного воздуха, а вместе с тем снега и льда.

Гипсометрия многих пещер, по которым протекают реки, нахо­дится в тесной связи с высотным положением днищ долин, дрени­рующих карстовый массив. В случае углубления долин (например, при тектоническом поднятии местности), устья пещерных рек высы­хают, превращаются в сухие пещеры, а на уровне нового базиса эрозии начинает формироваться новая система горизонтальных галерей. Так возникает этажный карст. При отрицательных текто­нических движениях карстовые полости опускаются (иногда до глубины нескольких сот и даже 1000 м), заполняются водой и осад­ками и превращаются в погребенный карст.

Карстовый процесс — прежде всего денудационный процесс, поэтому он протекает по-разному в разных климатических зонах. Большая часть приведенного выше материала относится к голому карсту, который наиболее типичен для областей со средиземно­морским субтропическим климатом. Карстовым процессам наряду с благоприятным геологическим строением здесь способствует климат. Ливневый характер атмосферных осадков и наличие засушливого сезона способствует интенсивному воздействию дождевых вод на поверхность известковых пород, сравнительно медленному накоплению элювия.

Большинство исследователей особое вниманию уделяют положительным формам рельефа, образующимся в ходе карстовых процессов в условиях тропического гумидного климата. Как отметил И.С. Щукин, «если сопоставить зрело развитый типичный карст тропиков с таковым же умеренных широт, то они будут представлять морфологически как бы негативные оттиски друг друга». Если для карста умеренных областей характерен ландшафт более или менее одинаковых высот плато, усеянных многочисленными отрицательными формами рельефа, то для тропического карста характерно развитие положительных форм рельефа в виде башен или конусов, воздымающихся над некоторым средним уровнем – базальной поверхностью. В тропическом карсте, в процессе его развития возникают понижения, разделяющие весь карстовый массив на отдельные возвышенности, и дальнейшее развитие тропического карста сводиться к расширению этой поверхности за счет сокращения площадей, занятых возвышенностями, до их полного уничтожения. В конечном счете, это приводит к образованию выровненных карстово-денудационных поверхностей. Обычно процесс выравнивания распространяется в определенном направлении, и там, где он начался раньше, перед карстовой областью формируется равнина, получившая наименование окраиной равнины карста.

Абсолютная высота окраинных равнин различна. В приморских областях она может определяться уровнем моря, в других – уровнем некарстующихся пород, лежащих под известняками, в-третьих – уровнем грунтовых вод. Обычно такая равнина подвержена периодическому затоплению, причем застаивание атмосферных вод способствует накоплению терра- росса. Как будет показано ниже, именно действию этих вод и обязан тропический карст своими особенностями.

Крутой уступ карстовой области, обращенный к окраинной равнине карста, свидетельствует о том, что при затоплении равнины во время тропических ливней основание уступа подвергается ин­тенсивной коррозии, отступает, а равнина как бы наступает на карстовую область, постепенно все больше и больше сокращает площадь, занятую положительными формами карстового рельефа.

Формирование окраинной равнины происходит обычно на уров­не основных речных долин, дренирующих карстовую область. По­скольку окраинная равнина карста и вырабатываемая как ее про­должение поверхность карстово-денудационного выравнивания привязаны к уровням днищ долин, становится ясным, что образо­вание и той и другой поверхностей возможно лишь при условии тектонического покоя территории. Поднятие территории неизбеж­но вызовет врезание речных потоков, и процесс выработки карсто­вой равнины будет прерван.

Из сказанного следует, что окраинная равнина по своему суще­ству является педиментом карстового происхождения.

По морфологии положительных элементов рельефа тропический карст подразделяют на куполовидный, башенный, конический и котловинный. Как указывает И. С. Щукин, эти типы генетически связаны и скорее всего представляют собой лишь разные стадии; в формировании карстового ландшафта или же могут быть обуслов­лены некоторыми местными геологическими условиями.

Рис. 75. Затопленный башенный карст (Вьетнам, фото Ю. М. Клейнера)

и до­статочно обширные плоскодонные понижения типа польев, окру­женные башнями и образовавшиеся на месте уже полностью уни­чтоженных карстовых башен.

Морфология башенного карста свидетельствует о том, что в данном типе тропического карста углубление понижений уже закончилось. Развитие карстово-денудационной поверхности вы­равнивания здесь идет исключительно в ширину за счет съедания склонов возвышенностей и их полного уничтожения. Уничтожению башен способствует и подземный карст — дальнейшее развитие си­стемы ходов и пещер, пронизывающих массивы.

Процессы поднятия и тектонической стабильности могут в пре­делах одной и той же карстовой области чередоваться. В результат те такого чередования образуется отчетливо выраженная ярусность. вершинных поверхностей карстовых положительных форм.

Рис. 76. Конический карст (Вьетнам, фото Ю. М. Клейнера)

Необходимо упомянуть также о котловинном карсте, который в наиболее полном виде представлен на Ямайке. Он отличаете» развитием вогнутых карстовых котловин, отделенных друг от друга островерхими известняковыми гребнями. Формирование котловин­ного карста определяется здесь глубоким залеганием уровня грун­товых вод и сильной раздробленностью известняков.

Следует заметить, что для тропического карста развитие обыч­ных для карстовых областей форм рельефа типа воронок, колод­цев, польев и т. д. не менее характерно, чем положительных форм.

В целом все исследователи отмечают чрезвычайно интенсивный ход карстообразования в тропиках (по сравнению с районами уме­ренных широт и средиземноморского климата). Это явление как, будто бы противоречит тому факту, что при высоких температурах насыщение воды углекислым кальцием происходит быстрее и по­этому в условиях теплого климата вода должна быть менее аг­рессивна, чем в умеренной и холодной зонах. Однако пышная растительность тропических стран является мощнейшим источником поступления углекислого газа в воду, и этот источник с избытком •компенсирует неблагоприятные в термическом отношении условия растворимости известняков в тропических странах. Кроме того, и органические, и азотнокислые соединения также усиливают хи­мическую агрессивность воды в тропических странах. За счет этих факторов, а также большого количества осадков интенсивность карстовых процессов и их эффективность в гумидных тропиках, по-видимому, в несколько раз выше, чем в умеренной зоне. Только благодаря этим обстоятельствам карстовые процессы в тропиках приводят к выработке выровненных поверхностей карстовой дену­дации, которые в умеренных и средиземноморских странах форми­руются только в исключительных случаях.