Юрий Лобанов - Уральские пещеры

До сих пор литогенетические трещины рассматривались карстоведами лишь в связи с поверхностными формами карста. По мнению Д. С. Соколова, литогенетические трещины не могут обусловить возникновение интенсивной циркуляции подземных вод ни в значительной части карбонатных толщ, ни тем более в гипсах, ангидритах и каменной соли" (27). Наши результаты говорят о том, что это положение надо пересмотреть. Нет сомнения в том, что карстовые пещеры образуются по достаточно густым сеткам трещин, которые есть в любом массиве растворимых пород.

Обычно считают, что в карстовые полости-пещеры превращаются трещины, когда материал их стенок постепенно растворяется фильтрующейся водой. Но как же объяснить с этой точки зрения многие особенности строения пещер и шахт? Так шахты-поноры представляют собой, как правило, каскад колодцев, разделенных слабонаклонными галереями. В одной и той же карстовой системе в зоне нисходящей циркуляции вод могут сосуществовать вертикальные шахты и почти горизонтальные пещеры (рис. 34, а, б). Пещерные галереи многократно меняют направление — меандрируют, выходные участки карстовых систем нередко углубляются значительно ниже уровня дренирующих их рек.

Рис. 34. а — фрагменты плана и продольного разреза входной части пещеры Географическая на Кавказе, б — входной участок шахты Осенняя там же, в — схема, поясняющая различие в заложении полости при разных расстояниях между понорами и дреной

Представим себе, что понор и подземная дрена соединены вертикальной тектонической трещиной, по которой движется вода. Если бы она могла расширять эту трещину, то образовалась бы пещера с плавным продольным профилем. Наклон ее в принципе может быть любым. На деле же часто образуются каскадные шахты или пещеры, похожие на Шумиху.

Чтобы объяснить сосуществование шахт горизонтальных пещер, обратимся к рис. 35, в. На какой-то глубине в зоне горизонтальной циркуляции карстового массива есть полость. Она поглощает все поверхностные воды и собирает их в русло текущей по ней подземной реки. Закарстование массива приводит к распаду речной сети на мелкие изолированные водосборы, каждый из которых имеет свой понор (9). Все поноры связаны полостями с подземной рекой. Вполне очевидно, что форма полостей зоны нисходящей циркуляции будет зависеть от отношения (обозначим его через К) глубины заложения (подземной дрены (Л) к проекции расстояния (l) между ней и понором. Если предположить, что карстовая полость должна связывать понор и дрену по одному из наиболее коротких путей, то наклон дна полости должен зависеть от этого отношения. Поноры, находящиеся над самой подземной рекой, соединятся с ней отвесными шахтами, а те, что удалены на значительное расстояние, образуют слабо наклонные пещеры. Этот подход подтверждается. В районе Кутукского урочища почти рядом расположены дренируемые одной и той же подземкой рекой пещеры Сумган-Кутук и Кутукская-4, в которых коэффициент вертикальности В=0,85 при l=70 м и В=0,07 при l=560 м соответственно. В шахте Географическая на Алеке для двух независимых входных участков (рис. 35, а) наблюдаем аналогичную картину: B = 0,03 при l=213 м и В=0,69 при l=15 м.

Рис. 35. А — каналы, образуемые пересечением трещин: 1 — вертикальный тт-канал, 2 — наклонный и 3 — горизонтальный тн-каналы; Б — схемы образования зародышей пещер (разрезы) в различных обстановках: 1 — тн-каналы, 2 — вертикальные тт-каналы, 3 — наклонный тт-канал, П — понор, Д — дрена: В — схема образования из тн-каналов меандрирующих галерей (план). Пояснения в тексте

Но все же этот подход не отвечает на все вопросы.

Мы много раз пытались использовать представления о превращении в пещеры трещин (в том числе идеи Д. С. Соколова о необходимости предварительного раскрытия трещин и представления А. Бегли о влиянии коррозии смешивания) для объяснения строения той или иной пещеры, но всегда неудачно. На иной, более продуктивный подход нас натолкнули наблюдения в пещере Шумиха. Мы обратили внимание, что на пересечении тектонических трещин всегда сильная капель. Так может быть, в карстовую полость превращаются не сами трещины, а каналы, образованные их пересечением? Эта идея показалась очень заманчивой уже при беглом ее рассмотрении. Ведь сразу логично объясняются ранее непонятные факты: карстовые воронки, а также стволы шахт и колодцев всегда приурочены к пересечению тектонических трещин; галереи пещер, как правило, находятся на пересечении вертикальных трещин и трещин напластования; капель со свода в карбонатных пещерах (это показал просмотр архивных материалов СГС) почти всегда интенсивнее в местах пересечения вертикальных трещин, такие же наблюдения в отношении гипсовых пещер сделали ленинградские спелеологи (24); наконец, тонкие длинные каналы во вмещающих породах давно замечены в пещерах и описаны в 1942 году американским карстоведом Дж. Бретцем.

В любом массиве до начала активного карстования имеется трехмерная сеть каналов, образованных пересечением трещин. Пересечения двух тектонических трещин образуют каналы, по-разному наклоненные к горизонту: вертикальные, наклонные и горизонтальные. Назовем их для краткости тт-каналами. При пересечении тектонической или литогенетической трещины и трещины напластования получаем тн-канал. Вертикальный тт-канал, по нашей гипотезе, может превратиться в колодец или шахту, остальные являются зародышами пещерных галерей (рис. 35А).

Теперь проверим справедливость выдвинутой идеи. Построим мысленную модель интересующего нас процесса и сопоставим с результатами наблюдений. Итак, мы принимаем, что зарождение карстовых полостей происходит при коррозионном расширении инфильтрующейся водой каналов, образованных пересечением двух тектонических или литогенетических трещин (а не самих трещин!). И естественно, что в карстовую систему речного типа превращается та группа каналов, которая в начальной стадии формирования пещеры имеет наименьшее сопротивление течению воды от понора к дрене.

Как же зависит форма пещер речного типа от геологических условий, в которых она возникает? Допустим, что карстовая полость образуется в слоистых, наклонно залегающих карбонатных породах, и направление от понора к дрене в общем совпадает с направлением падения пластов вмещающих пород. Предположим также, что все однотипные трещины массива одинаковы и весьма протяженны. Для моделирования обратимся к геометрии (принимаем во внимание тт- и тн-каналы с минимальным гидродинамическим сопротивлением на участке понор — дрена). Поскольку морфологический тип пещеры определяется величиной K, возможны три различных соотношения между ней и тангенсом угла падения пластов. Формы соответствующих им полостей в начальной стадии их развития показаны на рис. 35Б, 1, 2, 3.