Карст и карстовые процессы

 

Карст - совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью).

Крым знаменит своими карстовыми полостями естественного происхождения. Они заложены в основном в верхнеюрских известняках, слагающих главную горную гряду, хотя известны также в меловых и палеогеновых известняках внутренней и внешней гряд Крымских гор и в неогеновых известняках равнинного Крыма.

По количеству поверхностных карстовых форм на квадратном километре Чатыр-Даг занимает первое место среди других яйл Крыма. В зависимости от геологических условий (наклона пластов горных пород, направления трещин, состава известняка и др.) они принимают самый различный вид. Кроме воронок, на Чатыр-Даге можно встретить и такие поверхностные карстовые формы, как карры, ложбины и долины, поноры.

Карры - это начальная стадия разрушения известняков. В их образовании участвуют атмосферные воды, эрозия, выветривание, биогенные факторы. Все они в тесном взаимодействии дробят крепкий с виду известняк на отдельные глыбы. Обглоданные водой и ветром, изборожденные морщинами и щелями, белеют камни, как черепа, среди скудных клочков пожухлой травы... Карровые поля занимают северные склоны и всю открытую восточную часть нижнего плато Чатыр-Дага, их можно встретить и среди леса. Такие участки разбросаны по склонам и вершинам водоразделов, там, где происходит быстрое таяние снега, где талые и дождевые воды смывают почву.
...Тонкая прямая нить тропы долго бежит вдоль зеленой стены леса и вдруг, словно споткнувшись об острые карровые ребра, начинает "серпантинить" по каменистой поляне. Труден путь по такому хаосу - то внезапно раскроется оскаленный зев глубокой трещины, то, причиняя острую боль, скользнет по ботинку узкая, как нож, каменная пластина. Не меньше затрудняют передвижение карстовые воронки, напоминающие кратеры потухших вулканов. Никому еще не удалось перейти яйлу по прямой. По-заячьи петляют тропы, обходя бесчисленные препятствия по увалистым водоразделам, вдвое, втрое увеличивая путь.

Карстовые воронки различны по форме и размерам, хотя на первый взгляд кажутся почти близнецами. Разнообразие их зависит от геологического строения и состава известняков. Так, на южном, возвышенном, участке Чатыр-Дага, сложенном слоистыми известняками, воронки небольших размеров, резко асимметричны и вытянуты вдоль пластов. В массивных известняках восточной части яйлы карстовые воронки имеют более округлую форму и ориентированы вдоль тектонических трещин.

Большинство карстовых воронок на яйле чашеобразны. Но надо иметь в виду, что форма их изменяется: сначала колодцеобразные, они со временем делаются блюдцеобразными. Это происходит оттого, что колодцеобразная воронка, если она больше не растет в глубину, заполняется в результате выщелачивания обломками известняка, щебнем, заносится глиной. Кроме того, интенсивному разрушению подвергаются ее склоны, особенно наветренные, где зимой скапливается снег. Постепенно увеличивая внешний диаметр и в то же время мелея, воронка принимает форму чаши или блюдца. В дальнейшем она может слиться с соседней, образуя вытянутую карстовую ложбину. В настоящее время на Чатыр-Даге есть воронки от 5 до 200 метров в поперечнике при наибольшей глубине 50-60 метров. Они разделены то неширокими плоскими или широкими водоразделами, то узкими перемычками, то отточенными эрозией острыми гребнями. Днища воронок обычно покрыты луговой растительностью с отдельными вкраплениями кустарников. В юго-западной части нижнего плато, где еще сохранился лес, карстовые воронки поросли буком и грабом.

Очень часто на днищах и бортах карстовых воронок, а также в понижениях вдоль выходов наружу пластов известняка встречаются закарстованные трещины, поглощающие талые и дождевые воды. Это так называемые поноры.
Воронки и поноры дают начало подземным карстовым полостям - пещерам, колодцам, шахтам.

Многие пещеры начинаются в скалистых бортах воронок, в том числе Тысячеголовая и Холодная. Иногда вся воронка служит началом глубокой шахты: так, двухсотметровая в поперечнике карстовая воронка на глубине 30 метров переходит в ствол широко известного Бездонного колодца.

Карстовые явления развиваются неодинаково на разных участках чатырдагского плато. Наибольшей закарстованностью отличаются центральная и юго-восточная части нижнего плато, сложенные массивными чистыми известняками. Там находится и большинство пещер. Там же сосредоточены наиболее глубокие карстовые полости - колодцы и шахты. В результате работ Комплексной карстовой экспедиции Академии наук УССР, проводимых при участии спортсменов-спелеологов, в 1959-1966 годах на Чатыр-Даге было обнаружено и исследовано более 90 таких полостей.

Учеными установлено, что не всегда современный "лунный" ландшафт был свойствен Чатыр-Дагу. Создавали его длительные геологические и климатические процессы. На разных стадиях развития рельеф плато изменялся. 7-8 миллионов лет назад, в среднеплиоценовый и позднеплиоценовый периоды, Главная гряда, которая до этого была невысоким хребтом с пологими склонами, начала подниматься. При этом резко усилилась эрозионная деятельность поверхностных вод. Атмосферные осадки не проникали в глубь массива, а, собираясь в ручьи и небольшие речки, прорезали на плато глубокие ложбины и овраги. Поверхностные формы (воронки, поноры) в то время практически отсутствовали. Однако позже произошел распад речной сети на отдельные замкнутые котловины, большая часть стока ушла под землю, где продолжала свою разрушительную работу, образуя подземные карстовые полости. Постепенно все плато покрывалось воронками и котловинами.

Нивально-коррозионные колодцы и шахты довольно разнообразны по форме. В зависимости от состава, строения, условий залегания и трещиноватости известняков они могут быть конусовидными, цилиндрическими или щелевидными.
Механизм их образования прост: снег, накапливаясь зимой в углублениях на поверхности, летом постепенно стаивает, растворяя известняки. Когда полость достигает предельной для площади ее входа глубины, она превращается в шахту-снежник, дальнейшее развитие которой происходит уже по другим законам. Но есть еще один, четвертый, подтип таких полостей, с маленьким, часто заваленным камнями входом и сложной морфологией. При чем же здесь снег, который никогда не попадает в такие полости в больших количествах? Более того, после сильных метелей он полностью перекрывает вход, образуя снежные мосты или пробки. Оказывается, такие полости располагаются только под структурными уступами известняков южной ориентировки, на которых накапливаются снежные карнизы (преобладающие ветры в горах зимой - с севера). Днем, даже при общей отрицательной температуре воздуха, эти карнизы стаивают (известный каждому эффект таяния снега на наклонных крышах домов). Талая вода с низкой минерализацией (10-30 мг/л), высоким содержанием углекислого газа (10-20 мг/л) очень хорошо растворяет карбонатные породы. Трещины постепенно расширяются, превращаясь в узкие колодцы со стенами, изъеденными коррозией. Затем "включается" механизм зимней конденсации, о котором мы поговорим ниже. Гидрохимические наблюдения показали, что интенсивность снеговой коррозии достигает 75 мкм в год. Таким образом, 1 метр нивально-коррозионной полости формируется в среднем за 13 000 лет, а нивально-коррозионные колодцы и шахты Крыма, глубиной 5-90 м, имеют возраст от 65 тысяч до 1,2 миллиона лет. Самые глубокие шахты отличаются внушительными входами, иногда имеющими диаметр до 12-15 м. Но и они заканчиваются слепо, без продолжений на дне...
Казалось бы, полости такого происхождения не представляют большого спортивного и научного интереса. При сегодняшней спелеологической технике спуск на 90-100 метров - задача несложная; в них почти нет натечного убранства и других отложений, несущих полезную информацию. Одно время привлекал внимание снег, накапливающийся на дне колодцев. Его запасы при максимальной мощности 12-15 метров достигали 2-5 тыс. м3 и были достаточны для снабжения водой пастушьего коша или работы холодильника. Именно так использовались в 30-е гг. XX в. многие карстовые колодцы Крыма и Кавказа. В 70-е гг. гидрогеолог Е. С. Штенгелов предложил даже специально "загружать" нивально-коррозионные полости снегом, сгребая его с поверхности. Он считал, что это существенно пополнит запасы подземных вод Горного Крыма. Произведем простой расчет: все 386 полостей этого типа, согласно выполненной топосъемке, имеют объем 80 тыс. м3. Пусть их удалось заполнить полностью, что при объемном весе уплотненного снега 0,4 тыс. м3 эквивалентно 32 тыс. тонн воды. Разделим эту величину на продолжительность теплого периода (180 сут.). В целом для Крыма получается мизерная величина - 2 л/с!

И все же нивально-коррозионные полости служат добрую службу человеку. Будучи на протяжении сотен тысяч лет накопителями зимнего холода (в них сохраняется не только снег, но и более холодный воздух), они во многом определяют геотермический режим горных карстовых массивов. Найдя узкую щель между стенками колодца и снегом, иногда можно попасть в более древние карстовые системы. Наконец, как ни странно, данные об их распределении по глубине дают ценную палеогеографическую информацию.

Вертикальные полости могут образовываться и другим путем. Близ крутых обрывов плато, на бортах речных долин и карьеров часто возникают трещины бортового отпора, приводящие к образованию уже известных нам гипергенных полостей гравитационного типа. Если это трещины в карстующихся породах, то происходит взаимное наложение друг на друга гравитационных (первичных) и коррозионных (вторичных) процессов. В результате стенки полостей моделируются растворением, покрываются углублениями - подземными каррами, различными натечными отложениями - сталактитами, небольшими сталагмитами, лунным молоком. Так возникают коррозионно-гравитационные полости различной морфологии и размеров.

Они могут иметь форму простого клина, направленного острием вверх или вниз, или - кулис, сообщающихся между собой короткими поперечными щелями. Обычно это небольшие колодцы или шахты глубиной до 40-50 м. Но иногда, при смещении крупных блоков известняков, возникают шахты глубиной до 100 м (Сююрю) или пещеры протяженностью 100-120 м (Туакская, Крым). Положение у бровки этих блоков способствует их хорошему проветриванию, стены их моделированы талыми снеговыми и конденсационными водами. Они вызывают большой спортивный интерес, хотя часто опасны из-за камнепадов.

Еще в 60-е гг., работая на Караби, крымские спелеологи обнаруживали входы в довольно крупные вертикальные полости, лишенные питания дождевыми и снеговыми водами. Они располагались на водоразделах или в верхней части склонов, на карровых полях. Найти такую шахту можно было только случайно натолкнувшись на небольшой вход в нее в густой траве или оступившись на остром известняковом гребешке. И вот тут-то, придавленный рюкзаком и ощупывающий подвернутую ногу, внезапно чувствуешь разгоряченным лицом слабое движение воздуха... Ну а дальше все просто: убрать несколько камней, сбить мешающий выступ или расчистить траву - и открывается зияющая пустота глубиной 30, 50, а то и 100 метров... В Крыму такие "подарки природы" были описаны, занесены в кадастр, но остались непонятыми. Слишком широк был тогда фронт поисковых работ, слишком много нового (до 10-15 полостей) приносили в базовый лагерь съемочные отряды, чтобы разбираться с каким-то десятком находящихся "не на своем месте" шахт...

Второй раз они напомнили о себе на плато Кырк-Тау (Средняя Азия). Прежде чем обнаружить на нем манящую почти километровой глубиной шахту Киевская, украинские спелеологи В. Рогожников и А. Климчук вдоволь налазились по мелким колодцам и небольшим шахтам, многие из которых располагались именно на карровых полях. Тогда появились первые идеи, которые только в 90-е гг. оформились в стройную концепцию эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно проходят процессы растворения и образуются различные полости. Справедливости ради надо отметить, что родилась она не на пустом месте. Отдельные ее элементы имеются в работах карстологов (Дж. Ганн), гидрогеологов (А. Манжен), инженеров-геологов (А. Чернышев) и спелеологов (Д. Форд). Александр Климчук удачно свел воедино все эти разнородные представления и снабдил их новыми фактами.

Заглавная идея этой концепции удивительно проста и, вероятно, поэтому долго не воспринималась специалистами.

Речь идет о формировании своеобразной депрессионной воронки в приповерхностной зоне вертикальной циркуляции карстовых вод. Этого было достаточно, чтобы любой уважающий себя гидрогеолог перестал слушать последующие доводы: такая воронка формируется только в полностью обводненных породах при откачке воды из скважин. При этом определение "своеобразная" как-то не воспринималось...

В большинстве карстующихся пород основным проводником воды являются трещины разного происхождения. В самой верхней части эпикарстовой зоны (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием; в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющих некоторое раскрытие; в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичные крупные тектонические трещины. Соотношения между трещинами разных типов (литогенетические, тектонические, выветривания и пр.) описаны в специальной литературе.

Теперь проделаем мысленный эксперимент. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м2). На ее поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся тектонических трещин, расширенных выветриванием, образовалось карровое поле. Прошел ливневый дождь средней интенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объеме 20 м3 (1000 м2 на 0,02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Но как она распределилась? Сперва вода заполнила 20 трещин (по 1 м3 в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м3), затем сосредоточилась в одной (20 м3). Именно здесь, не на поверхности, а под ней, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными (лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талые снеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхности появляется "готовая" карстовая шахта. Пройдет несколько лет, дождь и снег оближут острые выступы известняков, на их гранях появятся лишайники, и никто не скажет, что она сформировалась вследствие подземной деятельности капли воды...

Концепция А. Б. Климчука хорошо объясняет особенности заложения многих шахт массива Арабика (Грузия), где в 80-е гг. проводился активный спелеологический поиск. Оставалось проверить ее в Крыму, настоящей Мекке спелеологов бывшего СССР. Все известные карстовые полости были распределены по глубине по трем подзонам: 0-20, 0-40 и 0 - более 40 м. Статистическая обработка данных и их сравнение с помощью критерия Колмогорова-Смирнова подтвердили значимость различий между ними. Полости отличаются друг от друга не только по плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзоне дробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру), в глыбовой - выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а в блоковой - сохраняется одно из них. Преобладающие для Крыма направления 40-220° и 130-310°.

Предположения о распределении воды в эпикарстовой зоне подтвердились при проведении изотопного анализа. Оказалось, что дождевая вода задерживается в ее пределах довольно значительное время (до 2-3 месяцев), а при увеличении расхода источников из горного массива сперва "выжимается" содержавшаяся в нем вода иного химического и изотопного состава.

На нижнем плато горы Чатыр-Даг есть ряд карстовых полостей. Одна из них – Эмине-Баир-Хосар – занимает исключительное место даже среди природных феноменов Европы.

Впервые пещера Эмине-Баир-Хосар была описана в 1927 году, когда группа исследователей спустилась в колодец и обнаружила прекрасный зал длиной свыше ста метров. Только спустя 50 лет, в период с 1969 по 1982 годы, пещеру Эмине-Баир-Хосар ожидала череда новых открытий.

Оборудованная для посещения часть пещеры Эмине-Баир-Хосар дает впечатление только о части гигантской работы, проделанной ранее и продолжающейся сейчас спелеологами "Оникс-тура". А не так давно им пришлось открыть в пещере еще и палеонтологический музей. В пещере Эмине-Баир-Хосар история создала уникальную коллекцию останков мамонта, пещерного льва, шерстистого носорога и других представителей дикой фауны, населявшей Крым 1,5-2 миллиона лет назад.

За сотни тысяч лет земные катаклизмы не раз сотрясали Крым, о чем свидетельствуют необычные положения обломков сталагмитов и сталактитов. Менялись не только уровень воды в подземных реках, но и их направления. Компактно расположенные останки древних зверей позволят реконструировать их облик. Вероятно, что это не последняя тайна, открывшаяся нашим современникам на склоне Чатыр-Дага.