Стадии развития карстовых пещер

Таким образом, пещерные полости могут развиваться в зоне аэрации (зоне вертикальной циркуляции вод), но большие карстовые пещеры зародились в основном при полном заполнении пещерных каналов подземными водами (зоне полного насыщения), и вода в них циркулировала под гидростатическим давлением. Различают ряд стадий их развития, относящихся к эпохам полного или частичного заполнения водой – напорной эпохе и безнапорной. Л.И. Маруашвили (1970) выделил семь стадий: три – в безнапорной эпохе эволюции (трещинная, щелевая, каналовая) и четыре – в безнапорной (воклюзовая, водно-галерейная, сухо-галерейная, гротокамерная).

В зонах вертикальной нисходящей циркуляции образуются вертикальные пещеры – карстовые колодцы и шахты с расширениями в виде гротов, в зонах горизонтальной циркуляции и переходных (в складчатых горных сооружениях) – горизонтальные пещеры (в результате растворяющей, размывающей, выносящей деятельности карстовых вод и подземных обвалов). Наклонные участки пещер обычно образуются по поверхностям напластования.

Стадии: I, II – трещинная и щелевая, III – каналовая, IV – воклюзовая, V – натечно-осыпная, VI – обвально-цементационная, VII – двухъярусная. Прерывистой линией со стрелками показана трещинная стадия, линиями – щелевая.

Вода, находящаяся в зоне горизонтальной циркуляции, перемещаясь по трещинам в карстующихся породах, расширяет их растворением и размыванием. Первая стадия образования пещер – трещинная. Постепенно из трещин образуются щели различной ширины – щелевая стадия (рис. 9,І, ІІ). По мере увеличения ширины трещин всё большее количество карстовых вод устремляется в них.

Рис. 9. Схема развития многоэтажных пещер

Карстующиеся горные породы неоднородны и на разных участках щели растут с разной быстротой. Наибольший рост наблюдается там, где имеются самые чистые разности карстующихся пород. Наличие нерастворимого остатка в виде частиц глины и песчинок замедляет карстование.

В более широких щелях вода встречает наименьшее сопротивление в виде трения о стенки. Турбулентное движение здесь происходит быстрее, и всё большая масса воды устремляется в них из трещин меньших размеров. Так постепенно некоторые системы сообщающихся трещин, направление которых совпадает с направлением подземного стока карстовых вод, развиваются быстрее и стягивают всё большее количество воды. За счёт турбулентного движения карстовых вод из щелей путём расширения коррозией и эрозией возникают каналы различного поперечного сечения. Иногда каналы имеют вид эллипса, но чаще их очертания неправильны. Это – каналовая стадия.

Первоначально поток карстовых вод занимает всё поперечное сечение каналов. Постепенно, по мере увеличения размеров этих каналов, вначале на отдельных участках, а затем и на большой части протяжения, карстовых вод периодически уже недостаточно, чтобы занять всё поперечное сечение. В верхней части остаётся пространство, заполненное воздухом. Места, где свод пещеры спускается до уровня воды и ниже, называются сифонами. Различают речные и озёрные сифоны. В весенне-осеннее время, летом во время дождей канал заполнен напорной водой.

Стекающая по каналу вода попадает либо в подрусловые (поддолинные) пустоты, либо в отложения в русле реки. Когда район, где находятся подземные карстовые каналы, за счёт движения земной коры начинает подниматься, река будет всё глубже врезаться в своё дно. Наступит момент, когда транзитная река вскроет карстовый канал. Текущие по нему воды получат выход на дно реки или по её берегу. Появится карстовый источник. Подземная река, которая течёт по каналу, приносит большие массы воды – м³/с. Такие источники называют воклюзскими или исполиновыми. Это – воклюзовая стадия.

Подземный канал не всё время занят пещерной рекой, вытекающей в виде исполинового источника. Если поднятие карстового района продолжается, то выход источника становится всё выше над уровнем воды в реке, в долине которой он вытекает. Поток карстовых вод размывает дно подземного канала. Всё большее количество воды начинает уходить по трещинам вглубь, где на более низком уровне трещины превращаются в щели, а затем в каналы. Образуется вначале пещера с рекой, затем пещера с подземными озёрами и, наконец, сухая пещера, где только после дождей в некоторых местах со сводов капает вода. Воклюзовая стадия сменяется натечно-осыпной. Когда по пещере ещё течёт река, в ней развиваются натечные образования – сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, оолиты и др. При переходе из речной в озёрную стадию по берегам водоёмов может образоваться кальцитовое обрамление, а на выступах дна – кальцитовые кружева. Кроме подземной натечной аккумуляции, происходит обрушение сводов пещер. Образуются каменные осыпи, а под органными трубами могут возникнуть и земляные. В пещере накапливается и материал другого происхождения.

Натечно-осыпная стадия сменяется обвально-цементационной. При неглубоком залегании пещеры возможно её вскрытие путём провалов потолка. Могут возникнуть карстовые окна, тоннели, мосты, арки. При более глубоком залегании происходят только обвалы сводов, обломки цементируются кальцитом (или гипсом). Новое поднятие района пещеры и возобновление глубинной эрозии приведёт к появлению ещё одного этажа и т.д. Поднятия чередуются с остановками и опусканиями – вырабатываются этажи и происходит синхронная боковая эрозия рек с образованием аккумулятивного комплекса террас.

В древних верхних этажах пещер, которые иногда начали формироваться в третичном периоде, при опускании наблюдается заполнение пещер глиной, принесённой с поверхности. Во время последующего поднятия или при увеличении количества воды, поступающей в древние пещерные ходы с поверхности, происходит вынос накопившихся глинистых и других отложений. Если эти глинистые отложения были покрыты сверху кальцитовым натечным покровом, то при выносе песчано-глинистого материала водой у стен пещер можно наблюдать прикреплённые кальцитовые щиты. Эти натечные образования повисли в воздухе, так как подстилавшие их наносы вынесены пещерным потоком.