Как образуются карстовые формы рельефа? Поверхностные карстовые формы рельефа
5. КАРСТ И КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА
1.Условия карстообразования 2.Формы рельефа открытого карста 3.Пещеры карстовых областей 4.Пути развития карста 5.Зонально-климатические типы карста 6. Псевдокарстовые процессы и формы
1 . Условия карстообразования.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.
В определенных физико-географических условиях химическая агрессивность воды может в известняковых областях существенно возрастать и в сочетании с благоприятными геологическими условиями, возникают обширные пространства карстовых ландшафтов, приуроченных к известнякам. Поэтому наиболее изучен и распространен 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 воздействует на карбонатные породы.
К условиям, определяющим развитие карста, относятся: а) рельеф на пологонаклонных поверхностях;
Б) чистота и мощность известняков; 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 многолетней мерзлоты, препятствующей проникновению воды в карстующиеся породы; д) характер растительного покрова, способствующего повышению химической агрессивности воды; е) трещиноватость 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; ж) подземная циркуляция.
2. Формы рельефа открытого карста
В зависимости от того, выходят ли карстующиеся породы на земную поверхность, или они перекрыты сверху некарстующимися отложениями, различают голый изакрытый (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 илишраттов - система гребней и разделяющих их рытвин или борозд.
Карры развиты повсеместно и являются микроформами карстового рельефа. Однако их морфология, степень развития и размеры участков, занятых каррами, изменяются в широких пределах в зависимости от геологических условий и особенностей рельефа. Они образуются там, где карстующиеся гипсы обнажены или частично задернованы. 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. Покрытые каррами пространства называют карровыми полями . По мере расширения трещин гребни становятся все уже, надламываются и распадаются на отдельные обломки.
При интенсивной вертикальной циркуляции воды процесс растворения карстующихся пород приводит к образованию поноров - каналов, поглощающих поверхностные воды и отводящих их в глубину закарстованного массива. Величина и форма поноров 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 понора в процессе дальнейшего растворения приводит к образованиюкарстовых воронок различных размеров и форм в зависимости от возраста, типа карстующихся пород и их залегания от щеле- и колодцеобразных до блюдцеобразных. В закрытом карсте воронки образуются не только за счет растворения, но и в результате механического выноса - суффозии-в поноры залегающих с поверхности нерастворимых пород. Такие воронки называют карстово-суффозионными иливоронками просасывания.
Карстовые
формы рельефа 1
– кары; 2, 3
– воронки
поверхностн
выщелачива ния; 4 – провальная воронка; 5 – карстовая долина; 6 – полье; 7 – пещера.
Карстовая воронка - отрицательная форма рельефа, замкнутая впадина чашеобразной, конической или другой формы, диаметром до 50 метров, глубиной до 15 (иногда до 200) метров.
Карстовые воронки располагаются поодиночке или цепью вдоль тектонического разлома или подземного водотока. Обычно карстовые воронки образуются путем растворения поверхностных пород или при обрушении кровли подземной полости.
Котловины образуются в результате слияния двух или более карстовых воронок. В ходе своего развития близлежащие воронки разных генетических типов могут объединяться между собой, образуя карстовые котловины и ванны сложной формы с одним или несколькими понорами (или вообще без таковых). В случае комбинации эрозионной формы с карстовой воронкой возможно образование слепой балки или слепого оврага.
В зависимости от того, выходят ли карстующиеся породы на земную поверхность или они перекрыты сверху некарстующимися отложениями, различают голый и покрытый карст (Н. А. Гвоздецкий выделяет еще задернованный и погребенный карст). Голый карст чаще всего свойствен горным территориям, где наиболее интенсивно идут процессы денудации, покрытый - равнинам. Наибольшее разнообразие форм рельефа и наибольшая активность карстовых процессов обычно свойственны 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 другу, если четко выражено падение слоев и трещиноватость пород совпадает с направлением падения. При более сложной системе трещиноватости карры располагаются беспорядочно, пересекаются, разветвляются и вновь сливаются. Глубина борозд может достигать 2,0 м.
Покрытые каррами пространства называют карровыми полями. По мере расширения трещин гребни становятся уже, надламываются и распадаются на отдельные обломки. Такие старые карровые поля нередко представляют собой хаотические нагромождения крупных и мелких обломков известняка с кое-где сохранившимися и выступающими над этими нагромождениями карровыми гребнями. Карры могут образоваться и в прибрежной полосе при воздействии морского прибоя на карстующиеся породы.
При растворении известняков всегда остается нерастворимая часть, представленная глинистым материалом красного или кирпичного цвета. Этот элювиальный материал, накапливаясь на поверхности пород, образует своеобразную кору выветривания, характерную для карстовых областей,- так называемую терра-росса (красная земля). При значительном накоплении в трещинах глинистый материал терра-росса может полностью закупоривать их, и тогда процесс каррообразования прекращается.
При интенсивной вертикальной циркуляции воды процесс растворения карстующихся пород приводит к образованию поноров - каналов, поглощающих поверхностные воды и отводящих их в глубину закарстованного массива. Размеры и форма поноров 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 устьев поноров в процессе дальнейшего поверхностного растворения приводит к образованию карстовых воронок. Размеры и формы воронок зависят от возраста, типа карстующихся пород и их залегания: от щеле- и блюдцеобразных до колодцеобразных (рис. 81). В покрытом карсте воронки образуются не только за счет растворения, но и в результатемеханического выноса - суффозии - в поноры залегающих с поверхности нерастворимых пород. Такие воронки называют карстово-суффозионными или воронками просасывания. Карстовые блюдца, воронки и неглубокие колодцы в западноевропейской литературе носят название долины.
Карстовые формы рельефа обычно беспорядочно разбросаны по поверхности карстового массива (рис. 82) 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 может перейти в карстовую воронку (см. рис. 81), а карстовый колодец - в результате выполаживания склонов (рис. 83) в карстовую воронку.
Если стенки понора продолжают растворяться, то канал становится достаточно большим и превращается в естественный колодец или естественную шахту. Карстовые шахты и колодцы нередко достигают очень большой глубины (в несколько десятков или сотен метров). Одна из таких шахт - пропастей в Пиренеях (Пьер-Сен-Мартен) достигает глубины 1332 м, а пропасть Снежная на Кавказе - 1370 м. Общее направление шахт-пропастей близко к вертикальному, но отдельные участки шахт могут быть почти горизонтальными или наклонными. Шахты часто закладываются на пересечении нескольких систем трещиноватости. При дальнейшем растворении стенок шахты могут превратиться в достаточно широкие подземные ходы и пещеры.
Естественными колодцами нередко называют формы типа естественных шахт, но меньших размеров. Некоторые исследователи закрепляют термин «колодец» за 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 700 м 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, 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 км 2 . 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. 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 дна полья, либо погребенными под продуктами выветривания.
По всей вероятности, возможно не менее четырех различных случаев образования польев. Прежде всего выделяют полья тектонического происхождения. Это грабены или мульды, получающие черты карстовых образований со всеми свойственными им морфологическими и гидрогеологическими особенностями, присущими карсту. Как правило, это наиболее крупныеполья. Примером такого полья является уже упоминавшееся Попово полье в Югославии. Нередко в строении тектонического полья принимают участие и некарстующиеся породы.
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 - 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 появляется 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 польев, по-первых, способствует задержанию временных вод, а во-вторых, препятствует дальнейшему развитию карста вглубь.
Поверхностные карстовые формы рельефа.
В зависимости от того, выходят ли карстующиеся породы на земную поверхность или они перекрыты сверху некарстующимися отложениями, различают голый и покрытый карст (НА. Гвоздецкий выделяет еще задернованный и погребенный карст). Голый карст чаще всего свойственен горным территориям, где наиболее интенсивно идут процессы денудации, покрытый - равнинам.
Наибольшее разнообразие форм рельефа и наибольшая активность карстовых процессов обычно свойственны 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 другу, если четко выражено падение слоев и трещиноватость пород совпадает с направлением падения. При более
сложной системе трещиноватости карры располагаются беспорядочно, пересекаются, разветвляются и вновь сливаются. Глубина борозд может достигать 2 м.
Покрытые каррами пространства называют карровыми полями. По мере расширения трещин гребни становятся уже, надламываются и распадаются на отдельные обломки. Такие старые карровые поля нередко представляют собой хаотические нагромождения крупных и мелких обломков известняка с кое-где сохранившимися и выступающими над этими нагромождениями
карровыми гребнями. Карры могут образоваться и в прибрежной полосе при воздействии морского прибоя на карстующиеся породы.
При растворении известняков всегда остается нерастворимая часть, представленная глинистым материалом часто красного или кирпичного цвета. Этот элювиальный материал, накапливаясь на поверхности пород, образует своеобразную кору выветривания, характерную для карстовых областей, - так называемую терра-росса (красная земля). При значительном накоплении в трещинах глинистый материал терра-росса может полностью закупорить их, и тогда процесс каррообразования прекращается.
При интенсивной вертикальной циркуляции воды процесс растворения карстующихся пород приводит к образованию поморов - каналов, поглощающих поверхностные воды и отводящих их в глубину закарстованного массива. Размеры и форма поноров 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 устьев поноров в процессе дальнейшего поверхностного растворения приводит к образованию карстовых воронок.
Размеры и формы воронок зависят от возраста, типа карстующихся
пород и их залегания: от щеле- и блюдцеобразных до колодцеобразных. В покрытом карсте воронки образуются не только за счет растворения, но и в результате механического выноса - суффозии - в поноры залегающих с поверхности нерастворимых пород. Такие воронки называют карстово-суффозионными, или воронками просасывания. Замкнутые карстовые впадины небольших размеров (диаметром редко до сотни метров) в западноевропейской литературе носят название долины.
Карстовые формы рельефа обычно 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 может перейти в карстовую воронку (см. рис. 101), а карстовый колодец - в результате выполаживания склонов - в карстовую воронку.
Если стенки понора продолжают растворяться, то канал становится достаточно большим и превращается в естественный колодец или естественную шахту. Карстовые шахты и колодцы нередко достигают очень большой глубины (нескольких десятков или сотен метров). Одна из таких шахт-"пропастей" в Пиренеях (Пьер-Сен-Мартен) достигает глубины 1332 м, а пропасть Снежная на Кавказе - 1370 м. Общее направление шахт-пропастей близко к вертикальному, но отдельные их участки могут быть почти горизонтальными или наклонными. Шахты часто закладываются на пересечении нескольких систем трещиноватости. При дальнейшем растворении стенок шахты могут превратиться в достаточно широкие подземные ходы и пещеры.
Естественными колодцами нередко называют формы типа естественных шахт, но меньших размеров. Некоторые исследователи закрепляют термин "колодец" за 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 700 м в поперечнике при глубине до 30 м. Такие образования представляют собой как бы переходные формы к еще более крупным карстовым ваннам - польям.
Полья - обширные, обычно плоскодонные, с крутыми стенками карстовые понижения в несколько километров, а в некоторых случаях в несколько десятков километров в поперечнике. Например, площадь Попова полья в западной Герцеговине достигает 180 км2.
По ровному дну 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.
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 часто встречаются полья с сухим дном, а иногда с многочисленными карстовыми формами, либо приуроченными к поверхности дна полья, либо погребенными под продуктами выветривания.
Возможны и другие случаи образования польев. Прежде всего выделяют полья тектонического происхождения. Это грабены или мульды, получившие черты карстовых образований со всеми свойственными им морфологическими и гидрогеологическими особенностями, присущими карсту. Как правило, это наиболее крупные полья. Примером такого полья является уже упоминавшееся Попово полье в Югославии. Нередко в его строении принимают участие и некарстующиеся породы.
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 НА. Гвоздецкого, такое происхождение имеет, например, Шаорское полье в Западной Грузии.
Формирование крупной карстовой котловины (полья) может произойти 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 своеобразных форм рельефа: это естественные мосты - остатки обрушившегося свода подземной галереи, соединяющие два противоположных склона полья. Таково, например, происхождение Ракбахского полья в Хорватии. По дну
этого полья протекает река, которая появляется 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 польев, во-первых, способствует задержанию временных вод, а во-вторых, препятствует дальнейшему развитию карста вглубь.
Более разнообразен. Работа рек проходит в подземельях, глубина которых достигает нескольких километров.
Подземный рельеф - это бесчисленные пещеры и пропасти, шахты и воронки. Воды, текущие здесь в полной темноте, редко прорываются на поверхность. Подземные озера, словно черные зеркала. Они полны тайн, в них скрыт пещерный жемчуг. Это такой своеобразный мир, природа которого изучена еще плохо. Это мир сталагмитов и сталактитов. Все это называют карстовым рельефом, или просто карстом. Термин «карст» происходит от названия плато Карст (Крас), которое расположено на одном из полуостровов в Адриатике. Почти безводное плато изобилует воронками, сухими котловинами, провалами, трещинами, бездонными колодцами. - комплекс форм, созданный природой в результате растворения водой и выпадения в осадок растворенного материала. Формы карстового рельефа обладают размерами от первых сантиметров (карры, лунки, борозды и пр.) до многих сотен метров и километров. О неровностях рельефа величиной менее 1 см известно мало.
Карстовый рельеф обычно формируется в областях, сложенных водорастворимыми породами. Чаше всего ими являются известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, мраморы, соленосные глины и соль. Растворение происходит с большой скоростью, из-за чего эту группу даже называют карстующимися породами. Но растворению подвержены и сланцы, песчаники, граниты, кварциты, базальты и др. Скорость растворения у них в десятки тысяч раз меньше, чем у карстующихся пород.
Карстообразование происходит потому, что есть не только горные породы и , поддающиеся растворению, но и проточные воды и трещины в горных породах. Человек видит поздние стадии образования карста, поскольку наблюдения за миграцией воды по тончайшим трещинам невозможны. Механизмы образования карстового рельефа на первых стадиях, скорее всего, связаны с проницаемостью горной породы. Наиболее распространенными формами карстового рельефа являются воронки, блюдца, шахты, колодцы, карры, долины, полья, пещеры, котлы, плотины и занавеси, террасы, сталактиты, сталагмиты и т. д.
Карры образуются обычно на поверхности трещиноватых известняков и доломитов дождевыми водами, струйки которых создают промоины. Огромные карровые поля находятся в , их глубина достигает нескольких метров. Карстовые воронки на поверхности встречаются чаше. Их диаметр — от 1 до 500 м, а глубина — от 0,5 до 45 м. Цепочки воронок нередко сливаются, образуя карстовые долины.
В Родопах (Южная ) находятся удивительные создания природы - скальные мосты. Они представляют собой огромные арки, перекинутые через крупные долины, по дну которых сейчас протекает едва заметный ручеек. Это остатки древних подземных долин, пересекавших эту часть Родоп 1,5 млн. лет назад. Многие тысячелетия подземные воды растворяли мраморы, разрушали стены пещер и создавали фантастический мир подземелий. Наконец стены пещер не выдержали и обрушились, отодвинув русло подземной реки в сторону. Высота «чудесных мостов» достигает 30 м, а ширина - 50 м. Здесь, в нишах бывших , открыты стоянки древнего человека, обнаружены каменные топоры, керамика.
Плато Карст (территория и ) - каменистая пустыня, поражающая своим унылым видом. Здесь нет воды и не видно зелени. Поверхность его покрыта трещинами, ямами, рытвинами и воронками. Есть тут и реки, но они текут под поверхностью земли в темных и сырых подземных руслах. Помимо безводья на каждом шагу путешественника ожидают глубокие трещины, провалы, бездонные колодцы. Встречаются участки, где воронки буквально, как оспины, изрыли поверхность. Их количество достигает 150 штук на квадратный километр. Красно-бурые глины с щебнем, обнаруженные на дне воронок, являются продуктом не только химического растворения известняков, но и смыва по трещинам карстующегося массива, а также пыли, приносимой ветром.
Шахты и колодцы представляют собой узкие, почти вертикальные каналы, образованные при расширении трещин. Диаметр колодцев различен - от 0.3 до 350 м, глубина может достигать 1300 м. Карстовые долины, занимаемые руслами как подземных, так и наземных рек, характеризуются резкой ступенчатостью продольного профиля. Странные реки появляются из пещеры, текут на протяжении нескольких километров по поверхности и вновь скрываются в пещере. Эти долины - без поймы, без террас, без паводков и наводнений. Особым видом карста являются полья - замкнутые или полузамкнутые котловины. Площади польев достигают 500 - 600 км2, глубина - сотен метров, ширина - 10 - 15 км. Одно из них - в северо-западной части Динарского нагорья - занимает площадь 380 км2. Ось котловины совпадает с направлением горных хребтов и ориентировкой складчатых структур. В периоды сильных ливней тонкие частички грунта смываются и постепенно все трещины заполняются водой. Это ведет к прекращению фильтрации, а атмосферные осадки способствуют заиливанию котловин.
Карстовые пещеры находятся глубоко под землей. Они очень разнообразны по размерам и конфигурации, что объясняется не только залеганием карстуюшихся пород, но и определенной стадией их развития. В пещерах среди многочисленных форм карста, связанных с накоплением растворенного вещества, известны в основном сталактиты и сталагмиты. Известковые сосульки - сталактиты - достигают высоты в несколько метров и толщины 1,5 - 5 м. В процессе роста сталактитов в воде уменьшается содержание СаСОз. Выпавший в осадок углекислый кальций цементирует обломочный материал и образует карбонатные натеки. Сталагмиты - известковые столбы и конусы - растут снизу вверх и достигают высоты 15 - 20 м. Все это происходит очень медленно. Подсчитано, что сталагмит в Карлсбадской пещере высотой 19 м формировался около 50 млн. лет. К натечным формам карстового рельефа относятся плотины, перегораживающие подземные ходы. За подобными плотинами возникают озера. Но возраст плотин более молодой, чем сталагмитов, - 9 - 10 тыс. лет. Под воздействием теплых влажных муссонов известняковые породы подвергаются карстованию, в результате чего возникает много причудливых пейзажей: то над пропастью поднимаются отвесные скалы, то в горах зияют глубокие пещеры, то через реки перекинуты каменные мосты. Все это называется башенным карстом. В некоторых районах, где известняковые породы подверглись разрушениям, образовались округлые долины с ровным днищем. В таких долинах на одинаковом отдалении друг от друга возвышаются конусообразные известняковые холмы, а у их подножия амфитеатром располагаются ступенчатые поля, что делает каждый холм похожим на гигантский замок с крепостными стенами и сторожевыми башнями. Иногда в долинах видны небольшие холмы с острыми вершинами, издали напоминающими огромные стога сена. Карстовые долины, как правило, очень широкие, а посреди них нередко встречаются глыбы известняков.
В теплых и влажных условиях тропиков карстовый рельеф принимает причудливые формы. Выделяются куполовидные холмы и гряды, башни, острые конусы, карстовые равнины. Системы округлых куполов рассечены ущельями, возникшими по тектоническим трещинам. Периферия куполов обрамлена башенным карстом. Карстовые котловины и равнины разделены зазубренными грядами и глубокими ложбинами. Обломки известняков, упавшие со склонов башен или куполов, быстро разрушаются.
Густая растительность, покрывающая склоны, способствует активности вод с содержанием кислот разного состава. Поэтому, как правило, у подножий карстовых холмов или небольших гор не происходит накопления обломков. Выветривание превращает их в песок и глину, которые в дождливые периоды быстро выносятся струями воды. Наибольшая интенсивность карстовых процессов - во влажных областях, а наименьшая - в сухих.
Текучей водой растворяются не только карбонатные и соленосные, но и силикатные породы, в которых этот процесс протекает в тысячи раз медленнее. Растворяются песчаники, граниты, сланцы и другие кристаллические породы. Речная вода, протекающая по таким породам во влажных тропиках, содержит много растворимого кремнезема. Формы рельефа, связанные с силикатным карстом, разнообразны. На в Южной Америке в кварцитах наблюдаются провалы, колодцы, шахты, воронки. На плато Гуайкуинима в в кварцитах обнаружена даже система пещер протяженностью около 2 км с горизонтальными ходами и глубокими колодцами.
Гигантские шахты диаметром 350 м и глубиной более 500 м наблюдаются на плато Рорайма, сложенном древними кварцитами. На основании анализа кварцитов, в которых есть силикатный карст, можно сделать вывод, что здесь происходит растворение, как зерен кварца, так и силикатного цемента. Причем процесс должен не прекращаться десятки и сотни миллионов лет.
Формы силикатного карста образуются в результате, как растворения горных пород, так и их биохимического выветривания.
Карстовый процесс - это процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами. Геоморфологические формы, которые образуются в результате этого процесса, называются карстовыми формами . Развитие карта определяется геологическими, орографическими, гидрогеологическими и климатическими условиями .
1. Средигеологических условий большое значение имеет состав горных пород и характер трещиноватости . Наиболее крупные и хорошо выраженные формы карстового рельефа возникают в легко растворимых породах, практически лишенных нерастворимых примесей. Выделяют 1) известковый карст , 2) карст в гипсоносных и соленосных породах , а также 3) псевдокарст, или «глинистый» карст , в карбонатных глинистых породах.
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 в определенных физико-географических условиях химическая агрессивность воды в известняковых областях может возрастать и существенно, а при благоприятных геологических условиях возникают выразительные и занимающие обширные пространства карстовые ландшафты, приуроченные именно к известнякам. Главное условие растворимости известняка - достаточное количество CO 2 в воде, тогда она становится агрессивной и растворяет карбонатные породы. Кроме углекислоты известняки растворяются гуминовой и серной кислотами.
Важным фактором, способствующим развитию карстовых форм, является трещиноватость. Но очень узкие размером меньше 1 мм не способствуют карстообразованию. В активных же трещинах больше 1 мм циркулирует вода и расширяет их. Так начинается развитие карстовых форм.
2. Орографические условия . Наиболее благоприятными для карстообразования являются открытые пространства, сложенные легко растворимыми породами, без крутых уклонов, но с небольшими западинами для застаивания поверхностных вод и накопления снега. Базис эрозии грунтовых вод и поверхностных рек должен располагаться достаточно низко, обеспечивая наибольшую глубину карстования.
3. Гидрогеологические условия . Если поток подземных вод обладает незначительным уклоном, малыми скоростями, то характер его движения приближается к ламинарному, способствуя растворению.
При большом уклоне и значительных скоростях потока характер движения соответствует турбулентному, и наряду с процессами карстообразования развивается и суффозия - механическое разрушение и вынос нерастворимых частиц. Глубина залегания подземных вод, мощность водоносного горизонта и условия его питания определяют развитие в карстующемся массиве зон циркуляции. Обычно выделяются три зоны циркуляции :
1) верхняя охватывает толщу породы от ее выхода на поверхность до зеркала грунтовых вод. Это зона аэрации или вертикальной циркуляции . Здесь преобладает свободное гравитационное движение воды, происходящее периодически во время дождей или таяние снега;
2) средняя - зона периодически полного насыщения . Здесь совершаются резкие колебания уровня подземных вод, связанные с периодическим поступлением воды с поверхности. Циркуляция воды здесь близка к горизонтальной
3) . Границы этой зоны - наивысший и наименьший уровни зеркала грунтовых вод;
4) 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 поверхность.
4 Климатический фактор . Благоприятные условия для развития карста создают частые ливни, сносящие все наносы из нерастворимых пород, и корродирующее действие медленно тающего снежного покрова. Это относится к горным районам известковых плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др. Растворимость известняков повышается за счет сравнительно высоких температур и поверхностного прогрева пород в летнее время. Все эти благоприятные условия с выходом на поверхность легкорастворимых пород приводит к образованию голого, открытого или средиземноморского карста с разнообразным карстовым рельефом. Если карст развивается в угнетенных условиях (растворимые породы перекрыты слаборастворимыми) это закрытый, или среднеевропейский, карст .
В областях карстообразования выделяются:1) поверхностный, 2) переходный и 3) подземный карст.
Поверхностные формы карстового рельефа
Дождевые и талые воды, стекая по поверхности известняка, разъединяют стенки трещин. В результате образуется микрорельеф карров или шраттов .
1. Карры , или шратты представляют систему гребней и разделяющих их рытвин или борозд, располагающихся почти параллельно друг другу, если четко выражено падение слоев и трещиноватость пород совпадает с направлением падения. При сложной системе трещиноватости карры располагаются неправильно: разветвляются и вновь пересекаются. Глубина борозд может достигать 2 м. Карры могут образовываться и в прибрежной полосе при воздействии морского прибоя на карстующиеся породы. Покрытые каррами пространства называются карровыми полями . При растворении известняков всегда остается нерастворимая часть, представленная глинистым материалом красного или коричневого цвета. Этот элювиальный материал, накапливаясь на поверхности породы, образует своеобразную кору выветривания, характерную для карстовых областей, получившую название терра-росса (красная земля). Прекращение образования карр связано с накоплением терра-россы и полной цементацией трещин. Следовательно, трещиноватость - одно из условий каррообразования.
2. 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 различна, на поверхности поноры выражены зияющими трещинами или отверстиями, в глубине ими начинается сложная система каналов вертикальной циркуляции воды.
3. Расширение устьев понор в процессе дальнейшего растворения приводит к образованию карстовых воронок различных размеров и форм. Выделяются в областях закрытого карста блюдцеобразные формы с шириной примерно в 10 раз превосходящей глубину, и пологими (до 10-12 0) склонами, и воронкообразные, с крутыми, иногда отвесными стенками. По способу образования выделяются карстовые и суффозионно-карстовые (или воронки просасывания). Слияние отдельных карстовых воронок приводит к образованию более крупных форм - карстовых ванн . Длительное развитие этого процесса способствует возникновению обширных понижений округлых и эллиптических очертаний - карстовых котловин .
Карстовые формы рельефа могут быть беспорядочно разбросаны по поверхности карстового массива, либо быть сосредоточенными вдоль линий, обусловленных направлением подземного стока или залеганием карстующихся пород. Формы рельефа могут переходить одна в другую. Так карстовое блюдце в результате углубления, а карстовый колодец в результате выполаживания склонов могут превратиться в карстовую воронку. При продолжающемся растворении стенок понора канал может стать очень большим и превратиться в естественный колодец или естественную шахту, которые могут достигать в глубину от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Например, глубина одной из шахт в северной Италии близ г.Верона достигает глубины 637 м. Общее направление шахт вертикальное, но отдельные участки шахт могут быть почти горизонтальными или наклонными. Формы рельефа типа естественных шахт, но меньших размеров, называются естественными колодцами .
Правильные, или поверхностные, воронки, сливаясь, образуют слепые овраги или формы причудливых очертаний, получивших название увала . Известны увала до 700 м в поперечнике при глубинах до 30 м. Увала представляют как бы переходные формы к еще более крупным карстовым формам - польям - обширным карстовым понижениям, обычно плоскодонным и с крутыми стенками, в несколько километров, а иногда десятков километров в поперечнике. Площадь Попова полья в Югославии (западной Герцоговине) составляет примерно 180 км 2 . Иногда по ровному дну полья протекает водоток, который в большинстве случаев появляется из одной стенки полья и скрывается в подземной галерее в противоположной стенке. Предполагают, что в происхождении польев основное значение имели процессы выщелачивания в сочетании с различными факторами: тектоническими, литологическими (соотношении карстующихся и некарстующихся пород) и эрозионными, т.е. образование полья представляет сложный длительный полигенный процесс.
Реки и долины карстовых областей
Поверхностные водотоки карстовых областей по гидрологическому режиму и морфологии речных долин И.С.Щукиным подразделяются на пять типов:
1. Эпизодические речки, долины их не выходят из зоны аэрации, т.е. врезаны неглубоко. Поэтому вода в этих долинах появляется лишь во время сильных ливней или бурного весеннего снеготаяния, когда поноры, имеющиеся в русле, не успевают отводить всю воду вглубь.
2. Постоянно текущие реки . Днища долин таких рек лежат выше уровня грунтовых вод карстового массива. Это многоводные реки, начинаются они за пределами карстовой области, в пределах карстующихся пород они теряют воду, но не иссякают совершенно. Долины таких рек часто представляют узкие, глубокие каньоны с крутыми отвесными бортами.
3. Постоянно текущие реки, долины которых врезаны до уровня грунтовых вод , которыми они в основном питаются. Морфология долин их сходна с типом 2, но имеются различия. Часто склоны долин заворачивают навстречу друг другу по направлению к истоку и смыкаются в виде стены, в основании которой из грота и выходит река. Такие долины с замкнутым верхним концом называют мешкообразными. Встречаются долины, не имеющие устья, т.е. они не открываются в другую долину или водоем, а оканчиваются тупиком - слепые долины. Полуслепые долины тоже замкнуты на конце, но уступ, в который «упирается» водоток, низкий, и во время половодья вода переливается через него. Нижняя часть таких рек представляет неглубоко врезанную ложбину, сухую в течение большей части года.
4. Реки, прорезавшие всю толщу карстующихся пород и углубившиеся в подстилающие водоупорные породы. Естественно, они имеют постоянный и все увеличивающийся водоток за счет многочисленных ключей на контакте карбонатных пород с водоупором. Верхние части склонов таких долин, сложенные известняками, обычно крутые, нижние - пологие. Характерны оползни и блоки отседания для склонов долин.
5. Подземные, или пещерные, реки , протекающие по системе подземных галерей. Начинаются либо за пределами карстового массива, или зарождаются в его пределах. Иногда выходят на поверхность в виде мощных воклюзных источников (воклюз - постоянный источник, обладающий большим дебитом, назван по источнику Воклюз, впервые описанному во Франции).
Переходные формы. К ним относятся карстовые полости, объединяющие поверхностные и подземные формы вертикальными и наклонными каналами - понорами и естественными колодцами.
Пещеры карстовых областей
Пещеры - это разнообразные подземные полости, образующиеся в карстовых областях и имеющие один или несколько выходов на поверхность. Образование их связано с растворяющей деятельностью воды, проникающей в трещины. При их расширении образуется сложная система каналов, а в зоне горизонтальной циркуляции, где вода производит наибольший растворяющий эффект, образуется магистральный канал. Он постепенно расширяется за счет соседних трещин, стягивая воду из соседних каналов. Так формируется подводная река.
Пещера может иметь один или два входных отверстия. При одном входном отверстии в противоположном конце она (пещера) будет заканчиваться системой узких трещин и ходов, либо обвальными или натечными образованиями, которые закупоривают ее - это слепые пещеры . Пещеры с выходами с обеих сторон - проходные пещеры.
В пещерах на днищах, стенах и сводах образуются натечные формы. С потолка пещеры свешиваются в виде сосулек узкие и длинные сталактиты. Со дна пещеры навстречу им поднимаются более мощные и короткие сталагмиты. Срастаясь, эти формы образуют натечные колонны . Натечные формы образуются не в каждой пещере. В некоторых пещерах накапливается лед, такие пещеры называют ледяными или холодными (Кунгурская ледяная пещера). Для накопления льда и снега необходимы, во-первых, соответствующие климатические условия (в тропиках ледяных пещер нет, но в Крыму есть), а во-вторых, благоприятная конфигурация пещеры, при этом вход в пещеру должен быть вертикальным.
Гипсометрическое положение пещер, по которым протекают реки, находится в тесной связи с высотой днищ долин, дренирующих карстовый массив. При тектоническом поднятии местности происходит углубление долин, при этом устья пещерных рек высыхают, превращаются в сухие пещеры, а на уровне нового базиса эрозии формируется новая система горизонтальных галерей. Возникает этажный карст. В пещерах находят орудия человека, костных остатков животных (древних), остатки кострищ и т.д., что позволяет датировать ярус пещер и соответствующие эрозионные горные террасы на склонах древних речных долин. Ряд палеолитических стоянок обнаружен в горах Урала (пещеры Глухая, Медвежья).
При отрицательных тектонических движениях карстовые полости опускаются (иногда до глубины нескольких сотен и даже 1000 м), заполняются водой и осадками и превращаются в погребенный карст .
Зонально-климатические типы карста
Карстовый процесс - это процесс денудационный, поэтому в разных климатических зонах он протекает по-разному. Голый (или открытый) карст типичен для областей со средиземноморским субтропическим климатом. Карстовым процессам наряду с благоприятным геологическим строением здесь способствует климат. В умеренной климатической зоне карстовые процессы также развиваются довольно интенсивно, но для этой зоны характерен в основном закрытый карст, карстовые образования связаны здесь с подземным выщелачиванием, а поверхностные формы обусловлены провалами и проседанием рыхлого покрова над подземными карстовыми полостями (воронки просасывания).
В условиях тропического гумидного климата карст начали изучать сравнительно недавно. Если для карста умеренных областей характерен ландшафт более или менее одновысотных плато с 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 процессе развития тропического карста возникают понижения, разделяющие весь карстовый массив на отдельные возвышенности. Понижения углубляются до уровня базальной поверхности, а далее поверхность эта расширяется за счет сокращения площадей, занятых возвышенностями до их полного уничтожения. В конце концов образуются выравненные карстово-денудационные поверхности.
По морфологии положительных элементов рельефа тропический карст подразделяют на: куполовидный, башенный, конический, котловинный . По мнению И.С.Щукина, эти типы генетически связаны и скорее всего представляют собой лишь разные стадии в формировании карстового ландшафта или могут быть обусловлены местными геологическими условиями.
Псевдокарстовые процессы и формы . Наряду с настоящим карстом встречаются явления и формы, внешне похожие на карст, но имеющие в основе совершенно другие причины, чем те, которые ведут к образованию карстовых форм. Это глинистый карст и термокарст. Глинистый карст характерен для аридных и семиаридных областей, сложенных сильно карбонатными глинами, суглинками и лессами. Трещиноватость и пористость этих пород сближает эти районы с районами развития типичного карста. Суффозия в карбонатных или засоленных глинах и суглинках ведет к образованию просадочных впадин - так называемых блюдец. При условиях хорошо развитой трещиноватости в таких породах образуются глубокие подземные ходы и провалы, наполняющие настоящий карст. Такие резко выраженные образования называются глинистым карстом. Термокарст образуется в условиях вечной мерзлоты. Здесь также наблюдаются различные провальные и просадочные формы, но связаны они с таянием погребенного льда.
К псевдокарстовым явлениям относится также способность горных пород быстро и значительно уплотняться при смачивании. К таким породам относятся лессы и засоленные грунты. В результате образуются псевдокарстовые блюдца и реже - воронки.
