Тема: Понятие о принципах геологической природы карста

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Спелеошкола «Феникс»

Курс СТП

Лекция № 12

Преподаватель: Шакалов А.А.

Тема: Понятие о принципах геологической природы карста.

Ну что же, коллеги.

Должен вам сказать, что данная лекция — первая из разряда, так сказать, необязательных. На свете достаточно много народа, оперативно действующего на территориях, хорошо изученных и описанных профессиональными геологами. На свете достаточно много карстовых районов, географически обширных и однородных геологически на сотни километров во все стороны, так что людям, работающим в этих районах просто нет необходимости ориентироваться в его геологии. Ну, есть карст — и слава Богу. На наш век хватит. А какой он — это дело десятое. В этом смысле я искренне и по-хорошему завидую уральским или саянским спелеологам, работы которым хватит на многие и многие поколения вперед.

Гигантская Восточно-Сибирская платформа, могуче поднявшаяся по континенту и сохранившая на практически ровной поверхности мощные плиты очень старого и плотного девонского известняка, — это лишь один вид карста, в сущности — уникальный. То, что этот обширный и, по сути, равнинный край изрезан полостями вдоль и поперек, обусловлено, прежде всего, наличием огромного, гигантского, нескончаемого потока воды. Великие сибирские реки выносят в Ледовитый океан разгрузку сотен тысяч рек и речек, стекающих с груди сибирской платформы и буравящих на своем пути прочнейшие известняки, которые при иных условиях не могли бы карстоваться.

Но есть и другие случаи. И их немало. Наш с вами случай — как раз из разряда других. Таких, когда речки пожиже. Значительно жиже, примерно на два порядка. Флора пониже, тоже на пару порядков. Известняки в массе своей помягче и помоложе, но так переслоены, перерезаны и перемешаны интрузивными породами, что нередко в этом сложносочиненном геологическом бутерброде невозможно понять, откуда что взялось и куда вдруг делось. Вот только сейчас, пять минут назад, ты шел по серому матовому карбону и вдруг под ногами засверкал своими кристаллами гранодиорит. Как, откуда — поди разберись. А потому площади, на которых возможно карстообразование, ограничены не сотнями километров, а, в лучшем случае, двумя-пятью. В худшем — несколькими сотнями метров

Зато высотами нас Господь не обидел, уж что есть, то есть. Если на Урале или в Саянах перепады высот между гребнями увалов и водоупором редко бывают больше двухсот метров, а абсолютная высота хребтов не достигает и километра, то у нас разброс этих параметров значительно больше. Со средних абсолютных высот в один километр только начинают вырастать подошвы горных стран Южного, Юго-Восточного, Восточного Казахстана, таких, как Тянь-Шань, Джунгария, Алтай, а перепады высот между гребнями и водоупором, предположим, в Центральном Тянь-Шане, могут достигать двух километров.

Разумеется, нет правил без исключений. В нашем случае таким исключением является плато Устюрт, с его тысячекилометровыми пространствами сплошного карстующегося известняка. Но и здесь не обошлось без особых обстоятельств, влияющих на процесс карстообразования. Устюрт выделяется среди прочих районов полным отсутствием активных водотоков. Карст Устюрта — особый, по своему уникальный, присущ только Устюрту. Я абсолютно уверен, что, когда мы вплотную займемся Устюртом, он поставит перед нами массу загадок, сформулирует для нас такие вопросы, на которые, опираясь только на простую и понятную базисную теорию карстообразования, мы будем просто не в состоянии ответить.

Это один из примеров различия. Не первый и не последний, но для наших территорий наиболее яркий и масштабный.

Сдается мне, что на самом деле ни один из существующих на планете карстовых районов не вписывается полностью в эту самую, на первый взгляд простую и понятную, теорию. Обязательно есть некоторые различия, в каких-то случаях практически незаметные, в других — заметные издалека и с первого взгляда. Если бы не было этих различий, не существовало бы и необходимости проведения массированных поискоразведок. Можно было бы просто брать результаты геологических изысканий, согласно теории рассчитывать местонахождение полостей и по результатам расчета выходить на них. Ан нет, так не бывает почти никогда. А чаще всего бывает как раз наоборот, когда рассчитываешь одно, а получается совсем другое. При всех, казалось бы, благоприятных факторах, согласно которым просто обязан образовываться глубинный карст, сплошь и рядом мы получаем, в лучшем случае, карст поверхности, в худшем— полное его отсутствие. Таких примеров в нашей собственной практике — хоть отбавляй. Еще и поэтому я с добродушной злостью завидую уральским и красноярским спелеологам.

Итак, что же есть базисная теория карстообразования? Одной фразой ее можно выразить так: карстовый процесс — это растворение горных осадочных пород в агрессивной водной среде с механическим выносом раствора и нерастворенных твердых взвесей по тектоническим трещинам на поверхности и в глубине породы от верхнего горизонта породы к нижнему горизонту этой же породы.

И все. И нечего тут больше мудрить, ребята.

Имеется известняковый пласт определенной мощности и определенного возраста. Причем для каждого карстового района возраст пласта или плиты может быть иной, и это находится в прямой зависимости от дебета воды в районе и ее агрессивности.

Имеются тектонические разрушения структуры этого пласта. Причем тектонические нарушения присутствуют всегда и везде, поскольку на всей планете нет места, которое не было бы потревожено землетрясениями, процессами горообразования, процессами поднятия и опускания суши, процессами образования материков, в конце концов.

Имеется вода в районе. Причем дебет годовой водной разгрузки может варьироваться от микроскопического, как, допустим, в Кугитанге, что на Памире, до макроскопического, что ярко присутствует на Саянах в бассейне Енисея.

Имеется перепад высот в пределах этого известнякового пласта или сразу за ним, что обеспечивает бесперебойную водную разгрузку. Причем в горных районах это выражено ярко и четко, в отличие от пологих Уральских, Саянских или Алтайских увалов, где границы плиты обнаружить весьма затруднительно.

Теоретически это все условия, которые необходимы для возникновения карстовых процессов. И, теоретически, в месте, где они были соблюдены, следует находиться полостям. Однако здесь заканчивается базисная теория и начинается практика, которая сплошь и рядом показывает, что все не совсем так, а иногда даже вовсе иначе.

И тогда вступают в дело основные дополнения к общей теории карстовых процессов, говорящие нам, что они могут быть: а) нивальными, б) нивально-коррозионными, в) коррозионно-эрозионными.

Нивальным называется процесс, при котором химически чистые осадки в виде снега, выпавшего на голую поверхность плато, постепенно тают, образуя воду, стекающую по поверхности плиты и тектоническим трещинам вниз до водоупорного пласта. Именно этой воде мы в основном обязаны развитием карста поверхности. Всевозможные кары, лунковые или бороздчатые, наличие элювиальных образований — это, главным образом, результат нивальных процессов.

Но химически чистая вода не способна растворить ничего. Для того чтобы она стала агрессивной и способной к растворению камня, ее надо сначала накормить кислотами, которые в естественных условиях содержатся только в почве, как результат жизнедеятельности растений и животных. Чем гуще растительность на плато, чем больше животных, которые этой растительностью кормятся, чем больше площадь водосбора и протяженнее срок протекания по поверхности воды, образованной из этих осадков, тем агрессивней будет водный раствор, который должен начать следующий процесс карстообразования, под названием нивально-коррозионный.

Нивально-коррозионный процесс происходит при наличии агрессивного водного раствора, который при протекании через тектонические трещины по мере сил растворяет в себе находящийся по пути известняк. Чем агрессивнее раствор, чем большее количество его протекает через участок, тем выше скорость растворения и разложения породы. Именно этот процесс приводит к образованию подземного карста и появлению тела пещеры. Но эти полости, как правило, очень узкие, поскольку «вода всегда дырку найдет» и сумеет просочиться по пути наименьшего сопротивления, не раздвигая стен и не затрачивая больших усилий. Однако все эти милые тихие ручейки имеют тенденцию, в конце концов, сливаться в один поток, стремящийся к одному направлению и к одной точке, которая всегда соответствует месту и направлению основного разлома данного района. Постепенно, ручей к ручью, все малые потоки сливаются вместе. И однажды, очень задолго до полного слияния, образуют такой поток, которому уже мало того объема, где он протекал. Так начинается самое интересное — коррозионно-эрозионный процесс, который и приводит к образованию полноценных карстовых полостей.

В коррозионно-эрозионном процессе растворение породы отходит на второй план, поскольку неторопливое попутное растворение известняка уступает место жесткому и постоянному воздействию на породу сильного водного потока.

Вода — штука страшная. Жуткая. Ужасная. Вода теоретически может разнести в клочья все. При наличии соответствующих условий, конечно. И если на поверхности вода часто представляется нам мягкой, нежной и податливой, то в условиях формирования карстовых полостей для проявления ее агрессивности имеются исключительные условия.

Узость тектонических щелей, по которым она продирается вниз, перепад высот, с которых она стекает к водоупору, постоянно увеличивающийся дебет воды, обусловленный слиянием мелких потоков, приводит, в конце концов, к увеличению мощности и скорости потока. Кроме того, сильный поток тащит с собой песок и полурастворенные твердые частицы, которые, как абразивный камень, воздействуют на стены полости. Непрерывно. День и ночь. Из года в год. Из века в век.

Это уже не ручеек, тихо журчащий под плакучей ивой. Это — лютый зверь, глухо ревущий где-то под ногами в глубине пропиленной им же диаклазы, или грохочущий в водобойном котле на дне колодца. Это — страшная штука. Ее уже не беспокоят никакие нюансы геологического или тектонического характера. Это «гидравлический лом», непрерывно и со страшной силой пробивающий и расширяющий себе дорогу в толще известняковой породы. Чтобы понять, что такое сила водного потока, достаточно один раз попасть под него на подъеме-спуске из обводненного колодца. Почувствовать, как тебя корежит, плющит, мнет, ломает и выворачивает. И все станет ясно без всякого объяснения физических причин явления.

Как видите, при более подробном объяснении себе изначально простой природы карстовых процессов мы немного продвинулись в понимании нюансов этого физико-химического явления. И выяснили, что глубинный карст точно не образуется при отсутствии:

тектонических разломов в районе, обеспечивающих попадание воды с поверхности в тело породы.
агрессивной почвы на поверхности, обеспечивающей кислотное насыщение водного раствора, проникающего в тело породы.
дебета воды, достаточного для последовательного перехода процессов из одного в другой и наличия перепада высот, достаточного для обеспечения устойчивой водной разгрузки района.

Все вроде бы в порядке. Казалось бы — все уже объяснено. И, если мы имеем дело с известняком, то при соблюдении этих условий все вроде бы должно сработать. И, что удивительно, довольно часто срабатывает. Однако, далеко не всегда. И далеко не везде. И, что примечательно, для каждого географического района это происходит по-разному, совершенно индивидуально.

Ужас ситуации состоит в том, что глубинный карст далеко не всегда образуется, даже когда явно соблюдены все перечисленные выше условия.

Казалось бы — все есть. Однако чего-то явно не хватает. Чего?

И мы должны снова разбираться в нюансах карстовых процессов.

Причем, начинаем от печки, то есть — с возраста породы. Ведь известняк разных периодов очень сильно разнится по своим характеристикам. При примерно одинаковом химическом составе породы разного возраста имеют разную плотность. Если известняки мелового периода настолько мягки, что свободно крошатся в руках, то известняки ордовика, или, еще хуже, кембрия, иной раз покрепче некоторых гранитов будут. Соответственно, приходится сделать вывод, что не все известняки карстуются, поскольку в первом случае вода просто смывает слои, состоящие из мягких известняков, а во втором случае по тектоническим трещинам промывает борозды открытых каньонов и русла рек, не врезаясь внутрь породы. Это означает, что у геохронологической таблицы мы с вами сразу отрезаем ноги до «девона» и сносим голову до «перми». И остается относительно небольшая прослойка породы, возрастом от 450 до 250 миллионов лет, с которой нам есть смысл иметь дело. Теоретически. Прочий известняк, расположенный и выше и ниже по геохронологической шкале, — не карстуется. По определению. Потому что он либо слишком тверд, либо слишком мягок. Хотя на практике и случается возникновение карстовых процессов в иных известняковых породах, ходят слухи, что встречаются псевдокарстовые полости даже в гранитах, однако эти явления настолько редки, что ими можно пренебречь. Я — не видел никогда.

Таким образом, мы с вами выяснили, что для возникновения глубинных карстовых процессов требуется известняк определенных пород. Но и в этом случае глубинные карстовые процессы могут не возникнуть. Могут возникнуть, как это сплошь и рядом происходит на Урале и Саянах, а могут и не возникнуть, как это сплошь и рядом происходит у нас. Почему? Да потому что известняк представляет собой осадочную горную породу, образовавшуюся первоначально на дне древних морей из неисчислимого количества известковых органических останков доисторических морских животных. И от того, в какой геологический период времени и в какой конкретной координатной точке планеты жили и умирали эти животные, устилая собой дно древних водоемов, зависит мощность отдельно взятого конкретного монолитного известнякового пласта. Она может составлять от нескольких сантиметров до нескольких сот метров. И в том случае, если толщина пласта составляет сотню и более метров, он называется массивным, и это в нашем случае — плохо. Плохо, потому что вода, пытаясь обнаружить слабые места в толще промываемой породы, таковых не находит и прорезает ее сверху донизу, образуя чудесные каньоны, либо скатывается по верху, оставляя только «бараньи лбы», каровые борозды и лунковые кары. Массивные известняки, даже находясь в определенных нами рамках карстующихся пород, редко имеют в своем теле полости, хотя изобилуют поверхностным карстом по всей площади своей поверхности.

Нам бы пришлось очень плохо, если бы весь известняк был массивным. Однако, кроме массивного, достаточно распространены известняки слоистые и мергелистые. В них-то, слоистых известняках, в основном и образуются полости.

Итак, мы определили, что для образования полостей необходимы известняки:

Определенного геологического возраста, не старше девона и не моложе перми.
Определенного геологического строения, как правило — слоистые. Это могут быть мелкослоистые, крупнослоистые, несколько хуже, когда это мергелистые известняки.

Вот и все, казалось бы. Тектоника — есть. Агрессивная вода — есть. Дебет воды — достаточен. Известняки — карстующиеся, слоистые. Можно проводить поиск.

Вооруженные результатами наших теоретических изысканий, мы снова выходим на новую поисковую площадку в расчете обязательно в этот раз налететь на полости. И в очередной раз получаем кукиш. Но мы уже ребята битые. К ударам судьбы привыкшие. Нас так просто уже не свалишь. А потому мы снова пытаемся понять, что же опять не так, и почему мы не можем найти полостей там, где они обязаны быть. И вдруг понимаем, что вода, стекающая по плато, течет медленно и плавно, как на равнине, спокойно обтекая препятствия, и либо сваливается в трещины открытых глубоких каньонов, либо каскадами и водопадами обрушивается вниз с краев плато. По поверхности. Не углубляясь внутрь породы. Потому что для вгрызания в породу ей не хватает изначальной скорости потока, который может создать только определенный наклон известнякового пласта.

Не бывает горизонтальных карстовых плато, даже если они и кажутся издали ровным столом. На самом деле любое плато просто обязано иметь уклон в сторону водоупора не менее 12º. Иначе вода не успеет разогнаться и набрать скорость, достаточную для механического разрушения породы. И не более 50º. Иначе вода в разгоне успеет набрать такую силу, что будет в состоянии разрушать все на своем пути, не заглубляясь внутрь, а снося все послойно, постепенно и радикально. Уклон плато. Это — важно.

Также важны угол и направление залегания пластов.

При подъеме осадочных пород в процессе горообразования их выворачивает иногда чуть ли не наизнанку. С одной стороны поднимает. С другой, наоборот, опускает. И пласт, который визуально кажется ровным и горизонтально расслоенным по краю, на самом деле может залегать круто вниз к противоположную от видимого края плато сторону. Вот так случилось: уклон плато — в одну сторону, а угол залегания — в другую. Или — в третью. Или — в четвертую. И пока не пощупаешь, не разберешься, будешь ходить и угадывать направление водотоков и решать ребусы с направлением развития полостей. И не решишь, пока не поймешь.

Согласованность залегания пластов. Как соотносятся известняковые пласты разных геологических периодов по отношению друг к другу? Иногда они лежат совершенно согласованно, визуально отличаясь друг от друга только плотностью, цветом, толщиной и периодичностью слоев. В общем, отличить можно. А чаще всего пласты разных периодов — несогласованны, и нижние слои подпирают верхние с несогласованностью до 90º. Это важно для понимания интенсивности разгрузки потоков, поскольку нижний слой для верхнего служит водоупором, однако, при большой несогласованности может быть и наоборот. Может произойти развитие карстовых процессов и в нижних слоях известняков более старого геологического периода. Или — не произойти.

Это, действительно, последняя позиция, которую необходимо учитывать при выборе поискового района. А все остальное — как Бог положит. Поскольку даже при соблюдении всех этих условий вовсе не факт, что все произойдет, как вы рассчитали, и поиск будет успешен.

Процесс карстообразования при всей своей кажущейся простоте настолько сложен, что никогда не знаешь, что найдешь и где найдешь, даже вооружившись всей возможной предварительной информацией.

Но важно понимать его суть, хотя бы общую. И очень важно собрать предварительный материал. Как можно полнее. Как можно больше. Как можно тщательнее. А для этого надо понимать, что вы ищете.

Этому, по сути, посвящена данная лекция. Да, непросто это — понять, что же такое карст. Непросто. Можете не сомневаться, что люди, занимающиеся изучением его профессионально, по-прежнему получают больше вопросов, чем могут дать ответов.

Не смущайтесь и не пугайтесь. Изучайте. Думайте. Анализируйте.

Конечно, для того, чтобы изучать, думать, анализировать, мало понимания того, что вы ищете. Надо собрать материал. А значит, понять, где, как и что собирать.

Вот этому и будет посвящена наша следующая лекция.

Благодарю за внимание, коллеги.

Blog

Тема: Понятие о принципах геологической природы карста

Содержание