Wiaczesław Andrejczuk Вячеслав Андрейчук
Гидродинамическая конкуренция
жүктеу/скачать 15,58 Mb. Pdf көрінісі
|
4.3.2. Гидродинамическая конкуренция Явление гидродинамической конкуренции (трещин) заключается в том, что из множества водопроводящих трещин на инициальном этапе развития карста гидродинамически «выигрывают» более раскрытые трещины. Коррозионно расши ряясь, они увеличивают свою водопропускную способность и постепенно сосредо тачивают фильтрацию, оставляя (за счет снижения напора) менее раскрытым трещинам все меньше шансов на гидродинамическую (и спелеоморфогенетическую) реализацию. В явлении гидродинамичесокй конкуренции действует принцип обрат ной положительной связи, когда взаимодействие элементов приводит к усилению («подстегиванию») инициального воздействия или причины (рис.4.23). Рис. 4. 23. Усиление коррозионного расширения фильтрующей трещины в процессе взаимодействия напорного потока и стенок трещины 105
Математически (на основе экспериментальных данных) это явление описано С. Н. Чернышевым (1983). Опираясь на основополагающие понятия геохимической гидродинамики (Шестаков, 1961) и собственные эксперименты он показал, что «рост трещины ускоряется при движении через нее потока жидкости, растворяющей стенки при сохранении постоянными градиента напора на концах трещины и концентрации раствора на входе в трещину» (с. 87). Математически моделируя процесс расширения трещин он пришел к выводу, что скорость расширения трещины в принятых условиях пропорциональна кубу ширины трещины. Законо мерность эта действует на начальном этапе - до увеличения ширины трещины на порядок больше от исходной величины, но далее, в процессе роста и увеличения водопроводимости трещины, скорость ее расширения будет увеличиваться (соглас но гиперболической зависимости). Таким образом, в результате гидродинамической конкуренции более широкие трещины развиваются значительно быстрее более сомкнутых. Явление имеет место до тех пор, пока сохраняются неизменными условия взаимодействия. На участке пещеры такие условия (полное обводнение гипсов и напор подземных вод) сохранялись от момента гидравлического раскрытия водоносного комплекса в баден-сеноманских отложениях до последних тысяч лет, т.е. на протяжении всей активной фазы спелеогенеза. Поэтому, гидродинамическая конкуренция нашла в пещере свое морфологическое выражение на всех уровнях спелеоформ - от макро- до микроформ. Прежде, чем перейти к описанию ее конкретных примеров-следствий отметим большое значение явления гидродинамической конкуренции для развития сульфатного карста вообще. В свое время (1966) B. C. Лукин пришел к выводу о сосредоточении карста в процессе его развития, которому придавал значение одного из главных его закономерностей. Эффект опережающего развития более проницаемых трещин или более крупных полостей сохраняется и на вадозном этапе развития горизонтов, и даже при переходе к турбулентному режиму движения вод. Какие же особенности морфологии пещеры можно отнести на счет гидродинамической конкуренции?
Неравномерное тектоническое раскрытие первичных трещин, а также их кольматация в доспелеогенный период обусловили квазиоднородную проница емость гипсового слоя как по вертикали, так и в латеральном направлении. На плане пещеры отчетливо прослеживается несколько зон повышенного закарстования северо-западного (Зал Черновицких Спелеологов, залы Майский и Античный) и северо-восточного (Перспектив, Динозавра, Готический) направлений. Как было показано выше, эти вытянутые участки лабиринта приурочены к зонам тектонических нарушений (микроблоковым). В пределах этих зон встречаются колодцы, в том числе наиболее крупные и хорошо выраженные (цилиндрические) из них (в зале Выставочном и Майском - северо-западная ветвь, в Динозавре и Готическом - северо-восточная ветвь). В этих зонах лучше всего проработана средняя, каньонная часть сечений ходов и только в ней имеется (через колодцы) доступ к фрагментам нижнего контактного этажа. Нет сомнения, что отмеченные зоны являлись участками сосредоточения восходящей разгрузки вод (рис. 4.24). Именно они в силу своей тектонически обусловленной раскрытости послужили главной канвой вертикального транзита напорных вод. Сосредотачивая воды, они 106
получили преимущественное развитие (как в ширину, так и по вертикали), обрекая прилегающие к ним районы на условное «недоразвитие». Можно отметить, что по мере удаления от характеризуемых осей закарстования, в особенности к северу, размеры ходов уменьшаются вплоть до выклинивания (сужения трещин), как это имеет место в районах Венеция, Камикадзе и других. Сказанное вовсе не означает, что пещерный лабиринт является лишь затухающим к периферии обрамлением двух закарстованных зон. Подобные зоны наверняка существуют за его пределами, на это указывает поверхностное закар- стование и анализ трещиноватости гипсов. Тем не менее, пример иллюстрирует гидродинамически зависимый факт неравномерности закарстования, претендующий на региональную (для южной части Хотинско-Мамалыжского макроблока) законо мерность (связь с микроблоковыми нарушениями). Рис. 4. 24. Расположение главных зон выходящей разгрузки напорных вод (штриховка) в пещере и за ее пределами Еще одним, производным от данной закономерности морфологическим обстоятельством макроуровня, является факт различной «приподнятости» днищ ходов по мере удаления от зон сосредоточенной разгрузки. Так, на востоке пещеры обращает на себя внимание резкий перепад высот днищ (и величины ходов) соседствующих районов Восточного (северо-восточная окраина зоны) и Дальне восточного (вне зоны). Хода Дальневосточного района расположены на 3-6 м выше, 107
чем в Восточном и, в большинстве своем, имеют неразвитую или отсутствующую каньонную часть! Те же примеры можно найти на западе пещеры: начиная с Западного и Веселого районов днища ходов располагаются все выше, а в их вертикальном сечении все чаще отсутствует или слаборазвит каньонный элемент профиля. В целом же, можно отметить, что классическое для пещеры сечение замочной скважины хода имеют, как правило, в районах и участках, расположенных в границах отмеченных зон. По мере удаления от них, количество ходов с полно- выраженым профилем уменьшается вплоть до исчезновения. Эта закономерность имеет бесспорный для пещеры в целом характер, однако модифицируется в своих конкретно-районных проявлениях. Таким образом, гидродинамическая конкуренция предопределила некоторые важные особенности морфологии пещерной сети, в частности, площадную неравномерность закарстования. Это обстоятельство ставит по важности гидроди намический фактор спелеоморфогенеза в один ряд с его структурными предпо сылками.
Влияние эффекта гидродинамической конкуренции трещин на развитие морфоэлементов мезоуровня наиболее ярко прослеживается на примере размеров и поперечных сечений ходов, а также в формировании цилиндрических колодцев. Из отмеченного выше (макроуровенные особенности) логически следует вывод о гидродинамически производном (в связи с неоднородностью спелеоиницирующих трещин в масштабе пещеры) характере поперечных сечений ходов (и их размера) от удаления от главных зон и участков разгрузки. Показанные на рис. 4.5 главные типы сечений ходов различаются степенью проработки (по двум осям) напорными водами. Степень расширения «голов» сечений (форма) и величина ходов опреде ляются не продолжительностью воздействия на них вод (все ходы одновозрастны), а их положением относительно осей закарстования, «выигравших» в гидродина мической конкуренции. Так, ходы овального и ромбовидного сечения (наиболее развитые и крупные, в основном коридоры, галереи и даже «залы») характерны именно для ориентированных зон повышенного закарстования. При этом, в северо западной зоне, чаще встречаются овальные хода (например, галереи Увертюра, Стадион - в начале зала Черновицких Спелеологов), а ромбовидные хода-коридоры - в восточной зоне (Система Д, районы Готический, Восточный). В центральной части пещеры (например, в районе Метрополитен) также преобладают галереи ромбовидного сечения (рис. 4.3-Б). Но по мере удаления от закарстованных зон к периферии, сечения сужаются вплоть до щелевого вида, как например, в районе Камикадзе. В меньшем масштабе (не пещеры, а района) явления зависимости облика ходов от удаления от закарстованного (разгрузочного) участка можно наблюдать на примере зала Майского (рис. 4.25). Примером морфологического эффекта гидродинамической конкуренции в вертикальном разрезе слоя может служить развитие цилиндрических колодцев. Наблюдения показывают, что колодцы, как водопроводящие каналы развивались на пересечениях трещин. Логично предположить, что места их заложения - это более раскрытые пересечения, сосредотачивающие подъем вод согласно модели на рис.
108
Рис. 4.25. Изменение размеров и морфологии ходов в зале Майском от центра к его периферии. Стрелки - направления восходящей разгрузки вод Рис. 4.26. Модели подъема напорных вод по трещинам (линейная - В) и их пересечениям (очаговая - Б) 109
Вместе с тем обращает на себя внимание факт, что собственно цилиндрических колодцев в пещере имеется только два: сухой, на периферии зала Динозавра, и Мокрый Колодец (Ларисы) - в Восточном районе. Несколько «полуко лодцев» - с разрушенной верхней частью - имеется в районе Зала Черновицких спелеологов, прежде всего, размытый колодец в Зале Выставочном. Привлекает внимание идеально цилиндрическая форма отмеченных колодцев, отшлифованный характер стен и наличие полусвода над ними: верхние части колодцев как бы открываются в стенах галерей, примыкая обрывами к их днищам. Нет сомнения, что колодцы представляют собой замечательные примеры форм, сформированных восходящим напорным потоком. Но если они формировались на пересечениях трещин согласно модели на рис.4.26-Б, то: почему их так мало в пещере? почему они имеют цилиндрическую (а не овальную, крестообразную, вытянутую и т.д.) форму, отражающую их локализацию в местах пересечений трещин? Редкостный, феноменальный, единичный и т.д. характер распространения цилиндрических колодцев, с одной стороны, и наличие, в большинстве случаев, проработанной вертикальной части в сечениях ходов - с другой, убедительно свидетельствуют, что восходящая разгрузка подгипсовых вод имела на участке пещеры не очагово-замкнутый, как на рис. 4.26-Б, а линейно-открытый характер (рис.4.26-В). Это обстоятельство отвечает на первый из поставленных вопросов. Ответ на второй вопрос находим на стенах колодцев: это - выступающие со стен на 10-50 см вертикальные «ребра» кулис и полное отсутствие обычных, незакольма- тированных трещин. Этот факт позволяет предположить, что колодцы развились на пересечениях первичных закольматированных трещин - наиболее крупных и глубоких из них, тех у которых тектоническое раскрытие имело место лишь в нижней части (рис. 4.27). Поступая вначале вверх по пересечению трещин согласно модели на рис. 4.26-В, по достижению концов трещинных «клиньев» движение напорных вод сосредотачивалось лишь в месте их пересечения (нарушенном, ослабленном - дробление) и происходило далее вверх согласно очаговой модели - вплоть до выхода в верхнюю часть слоя и смены вектора движения на горизонтальный. Вертикальное сечение колодцев подтверждает этот вывод. После некоторого сужения с глубиной, их диаметр в нижней части снова увеличивается и с опреде ленной глубины (еще достаточно далеко от основания гипсов) у них появляются полостные «корни» - отходящие в стороны галереи. Некоторые из них имеют слепые купола (рис. 4.28). Из сказанного следует, что цилиндрические колодцы - уникальные формы, сформировавшиеся благодаря стечению ряда обстоятельств: тектонического рас крытия (углубления) оснований закольматированных первичных трещин, и дробления (тектоническая активация) заполнителя в месте смыкания кулис, обусло вившего его вертикальную проницаемость. На счет гидродинамической конкуренции можно отнести также имеющие место случаи морфологического неразвития продолжений трещин в местах их пересечения. Это касается так называемых «тупиков». Образование тупиковых (неразвитых) ходов можно объяснить меньшей раскрытостью трещины после ее пересечения с другой трещиной. Это явление может иметь место, если пересе каются разновозрастные трещины, когда новообразующаяся (или удлиняющаяся) трещина, пересекая уже существующую теряет энергию (снижение напряжений) роста, и, соответственно, уменьшается. Затухание, выклинивание может 110
Рис. 4.27. Схема формирования вертикальных цилиндрических колодцев: 1 - структурные предпосылки (смыкание нескольких кулис и их глубокое проникновение в гипсовый слой), 2 - начальная стадия: восходящая фильтрация напорных вод по трещинам и их пересечению (смыканию), 3 - активная стадия: сосредоточение напорного потока в центральном канале на пересечении кулис, его коррозионное расширение, 4 - современная стадия: вертикальный колодец, открывающийся в стене галереи верхнего яруса, с „корневыми" галереями в основании 111
сопутствовать (один из эффектов) тектонической активации сети первичных трещин (см. 4.2), т.е. их унаследованному развитию в напряженных направлениях. Конечно же, явление гидродинамической конкуренции и сопутствующие ему морфогенетические эффекты проявились в наибольшей мере при вертикальной проработке трещин и формировании каньонной части сечений пещерных ходов. Здесь степень первичной раскрытости трещин имела решающее значение в определении их водопроводимости и, соответственно, спелеореализации. Зависи мость вертикальной проработки сети от структурных предпосылок (на уровне пещеры) рассмотрена нами выше (см. макроуровенные особенности). На макро уровне главным фактором конкуренции являлось наличие зон макроблоковых нарушений, сосредотачивавших восходящий транзит подземных вод. На мезоу- ровне действовали локальные факторы-предпосылки, которые также нашли свое морфологическое выражение в характере вертикальной проработки трещин. К таким факторам, кроме разной степени раскрытости, можно отнести кольматацию трещин, утруднявшую, а в некоторых случаях целиком исключавшую возможность проработ ки трещины вверх, а также - сужение трещины на том или ином участке ее развития. Рис. 4.28. Зарисовка галерей, отходящих от дна Сухого Колодца, с большим слепым куполом в сводах (рис. Ю.Смирнова, спелеоклуб Примус, Пермь) Главными морфологическими следствиями вертикальной гидродинамической конкуренции трещин являются: 1. Наличие или отсутствие у ходов каньонной части 2. Разная ширина каньонной части ходов 3. Наличие «слепых», неразвитых по вертикали вверх морфологических элементов Следует особо остановиться на последней группе следствий. Они также весьма разнообразны, но к сожалению, почти недоступны для непосредственного наблю дения. На рис. 4.29 представлены лишь выборочные ситуации, для которых в пеще ре имеется достаточно подтверждающих примеров. Левая половина рис. 4.29-3 112
характеризует случай, когда сужение (может быть залечивание, цементация, перекристаллизация, смыкание вследствие пластических деформаций и т.д.) трещины на среднем участке или на всем ее протяжении вверх делает невозмож ным дальнейшее развитие полости и она «тупо» заканчивается с небольшим расширением в головной части. Такие хода, примыкающие к более крупным вертикально проработанным ходам, открываются в нижней половине их верхнего сечения, иногда вскрываются в виде «окон» на контакте днищ и стен. Они могут служить соединениями проработанных соседних ходов или даже образовывать мини-сети из нескольких ходов (тоже вертикально нереализованных), создавая локальные участки псевдоэтажей на разных уровнях. Такие ходы довольно часты в районах Привходовый и Заблудших (например, боковой ход от главной галереи- «трассы» в направлении Лунного Грота и др.) и других районах пещеры. Правая часть рисунка 4.29-3 показывает слепое завершение растущих снизу полостей вследствие их утыкания в процессе роста в концовки кулис, т.е. в заполни тель трещин. Ярким примером такой ситуации может служить озеро Филипцово, представляющее собой обводненную галерею (видимый полуовал), в центральной части свода которой отчетливо (на несколько десятков см) проступает карбонатная кулиса, вдоль которой развита галерея. Другим ярким примером могут служить Рис. 4.29. Морфологические следствия гидродинамической конкуренции трещин: 1 - разная степень проработки вертикальной трещины в связи с ее неравномерной шириной, 2 - разная степень проработки ходов в зависимости от исходной ширины трещин, 3 - морфологические ситуации, связанные с закольматированными (кулисы) трещинами 113
галереи-ответвления («корни») в основаниях цилиндрических колодцев с фрагмен тами кулис на сводах и слепыми куполами. Несомненно, слепые формы разной степени проработки - как по высоте, так и по ширине - имеют большое распространение в нижней части гипсового слоя. Скорее всего, они также образуют сеть, но прерывистую, неравномерную, разорван ную. Каркас этой сети образуют «сквозные» (доверху), реализованные на всю высоту (слоя) трещин полости-хода, в нижней части заполненные отложениями или обводненные. Внутри каркаса располагаются фрагментарно (единично, группами и небольшими сетями) линейно развитые низкие полости разной степени проработки, с выраженной напорной морфологией сводов. Гипотетический фрагмент сети полостей в нижней части разреза представлен на рис. 4.30- Б. Плотность каркаса ходов нижней сети, по всей видимости, должна быть мень шей, чем верхней, в пределах которой латеральное движение вод послужило допол нительным фактором ее гидродинамического и спелеогенетического проявления. Возможно даже, что нижний каркас сети является более системным, чем верхний, так как вглубь унаследованно развивались, прежде всего, трещины тектонических направлений. Можно предположить, исходя из логики рассуждений и единичных фактов, что каркасные хода должны быть довольно прямолинейными с небольшими вариациями по ширине. В то же время, хода, не имеющие верхнего продолжения, скорее всего отличаются существенными вариациями ширины, наличием напорных куполов, а также расширением верхней части своих сечений (головки, овальные или даже плоские своды), что подтверждается непосредственными наблюдениями в пещере.
А: 1 - хода, развитые по первичным трещинам, заполнитель трещин разрушен на этапе спелеогенеза, 2 - хода меньших размеров, развитые по кулисам, с неразвитой каньонной частью, 3 - цилиндрический колодец (устье), утолщенные линии - кулисы в верхней части слоя. Б: 1 - хода восходящего дренажа, сопряженные с 1 на рис. А, развитые по тектонически активизированным (углубленным) первичным трещинам (1 на рис. А) СВ-СЗ направлений, 2 - хода нижнего яруса, не получившие развития вверх из- за кулис или слабого раскрытия трещин, с кулисами в сводах (нижние окончания кулис), 3 - цилиндрический колодец (основание в своде), 4 - слепой купол. Тонкие линии - основания кулис (выклинивание), обозначенных на рис. А 114
Причина этого явления - все в той же гидродинамической конкуренции. Достаточно раскрытая трещина фильтрует поток более-менее одинаково по все своей длине-высоте. При этом наблюдается эффект выполаживания неровностей и выглаживания ее стенок. Выступающие бугорки и неровности «съедаются» коррозией (в силу большей поверхности контакта воды и породы) быстрее, чем соседние плоские участки. Поэтому, по мере коррозионного расширения раскрытой трещины при неизменных гидродинамических условиях происходит выполаживание стенок (рис. 4.31). В сомкнутых трещинах наоборот: фильтрационный поток сосредотачивается в местах (очагах) большей раскрытости (меньшей сомкнутости), обусловливая их прогрессирующее расширение (рис.4.32). При этом действует тот же закон, что и в первом случае - быстрее растут неровные поверхности (с большей площадью контакта воды и породы), в данном случае, локальные микрораскрытия в сомкнутых трещинах. Процесс этот действует во всех направлениях, но в зависимости от сте пени раскрытия или сомкнутости трещин может приводить к разным морфогенети- ческим эффектам: образованию ровных ходов с выположенными стенками (это же касается цилиндрических колодцев с «отполированными» стенками) или неровных ходов с овальными расширениями в плане и куполами в сводах, как это имеет место в нижних ответвлениях колодцев. Следует отметить, что однозначно более раскры ты и ровны тектонические трещины, в отличие от литогенетических. Возможно, что в процессе тектонического оживления лучше раскрылись первичные трещины СЗ-СВ направлений, а оживление (в т.ч. углубление) трещин иных направлений, в том числе заполненных, проявилось лишь в продвижении вглубь неровного фронта разрыва с сохранением в значительной степени первичного неровного характера. Рис. 4.31. Коррозионное выглаживание стенок тектонически раскрытых трещин с выступами и неровностями: 1 - трещина в условно-исходном состоянии, 2 - разделение трещины на участки равной длины (L 1 -L 4 ).
с разной площадью (S 1 -S 8 ), что обусловлено наличием неровностей (S 1 =S 2 , S 3 >S 4 , S 5 6 , S 7 =S 8 ), 3 -
дифференцированное (сосредоточенное на неровностях) коррозионное воздействие вод на стенки трещины, приводящее к исчезновению неровностей 115
Рис. 4.32. Коррозионное развитие сомкнутой трещины с локальными расширениями: 1-3 - стадии: 1 - условно-исходное состояние, 2 - сосредоточение коррозионного воздействия в местах расширений (микрорасширений), 3 - трещина с коррозионными „отверстиями" Вопрос о расширенной верхней части (головки) вертикально-слепых ходов объясняется напорным характером циркуляции вод, не имеющих выхода в верхние части слоя. Процесс их развития был идентичным формированию ходов в верхней части слоя: полости росли вширь, достигая в отдельных случаях энергетически оптимальной округлой формы - с наименьшей поверхностью контакта воды и породы. Далее они могли развиваться изометрично, увеличивая свои размеры, или превращаться в овал, если основания стен покрывались изолирующим слоем отложений. Полости нижних сетей представлены (в силу меньшего масштаба проявления того же гидродинамического процесса) образованиями меньшей величины, чем полости верхних сетей (или нормальные, секущие слой с профилем замочной скважины). По видимому, они менее разнообразны также морфологически, например в отношении ряда переходных форм между щелью и овалом. Они также имеют среднюю каньонную часть, но гораздо менее развитую, чем «полноценные» сквозные хода (рис. 4.29-3). «Карликовые» полости нижних межкаркасных сетей имеют, несомненно, широкое распространение в пещере, однако наблюдать их непосредственно можно лишь в редких случаях (из-за глубокого положения и заполненности каркасных ходов отложениями) - если их «головы» проникают достаточно высоко в среднюю часть слоя и открываются (примыкают) в стенах (незаполненных отложениями каньонных частях) магистральных ходов, как например, в случае озера Филипцова - спуск из Зала Перспектив (рис. 4.33). Микроуровенные особенности Из микроуровенных морфоследствий гидродинамической конкуренции можно отметить формирование в сводах и на стенах ходов небольших (несколько десят ков см) коррозионных трещин четковидного характера (рис. 4.34-А). Принцип иально те же, но значительно больших размеров «четки» с «нанизанными» на осе вые трещины напорными цилиндрическими куполами, диаметром до полуметра, можно наблюдать в сводах полостей (рис. 4.34-Б). В случае А причиной возник новения четковидных образований могут служить зигзагоподобные «швы-соеди нения» структурных разностей гипсов в местах их контакта (характерны для верхней части пещеры). 116
Рис. 4.33. Ситуация у озера Филипцово. Галерея нижнего яруса, „доросшая" по раскрытой в нижней части трещине до заполнителя (основания кулисы), открывающаяся в каньонной части крупного хода: 1 - гипс, 2 - скрытая в гипсах часть известковой кулисы, 3 - обнаженная (торчащая) часть кулисы, 4 - обводненная галерея, 5 - глинистые отложения
117
В случае Б решающую роль в их формировании сыграло, несомненно, явление прогрессивного развития более раскрытых фрагментов трещины (см. рис. 4.32). Математической моделью процесса неравномерного расширения трещины по ее длине может служить экспериментальная кривая (рис. 4.35), полученная Чернышевым. С. Н. при изучении скорости роста стенок трещин в зависимости от их ширины (1983). Таким образом, явление гидродинамической конкуренции проявляется на разных масштабных уровнях проницаемости - от слоя в целом (нарушения - макроуровень) через отдельные трещины (раскрытые, сомкнутые, заполненные - мезоуровень) и до неодинаковой раскрытости по длине-высоте отдельно взятой трещины (микроуровень). Оно имеет большое спелеоморфогенетическое значение и сыграло в морфогенезе пещеры важную роль. Рис. 4.35. Рост ширины трещины во времени под действием потока воды. Сплошной линией показано изменение средней ширины трещины, пунктиром - изменение ширины отдельных участков (по Чернышеву, 1983) 4.3.3. Прочие гидродинамические обстоятельства спелеоморфогенеза К таковым следует отнести латеральную составляющую движения подземных вод под кровлей гипсов, а также изоляцию части сечений пещерных ходов от рас творяющего воздействия вод глинистыми отложениями. Наиболее выраженными морфологическими следствиями сосредоточения восходящих напорных вод под слабопроницаемой покрышкой и их напорно- принудительного горизонтального движения в сторону дрены - днища Прута, является расширение верхней части поперечных сечений пещерных ходов, проработка некоторых из трещин исключительно в верхней части (соединяющие хода), а также образование в определенных участках интенсивно закарстованных зон, в которых суммарная площадь полостей превышает площадь целиков. Следует, однако, заметить, что в расширении ходов на уровне верхнего яруса значительная (а может быть и решающая?) роль могла принадлежать и коррозионным процессам последней фазы дотехногенного развития пещеры - на этапе «водного уровня». 118
Первые из перечисленных следствий довольно очевидны, а закономерности их вариаций по пещере описаны выше. Что касается закарстованных зон, то в самом начале главы они были выделены нами как один их двух главных типов сетей- районов и названы колонными залами. Из предпринятого выше анализа и плана пещеры со всей очевидностью проистекает, что колонные залы располагаются в тектонических зонах, на участках сосредоточенной (в прошлом) разгрузки подземных вод. Механизм формирования колонных залов достаточно прост. Он заключается в том, что при сравнительно продолжительном развитии лабиринта и близком расположении соседних галерей разделяющие их стены становятся тоньше (рис. 4.36-А) вплоть до исчезновения и слияния соседствующих полостей в единое пустотное пространство. На происхождение залов таким путем обычно указывают сохранившиеся в отдельных местах колонны (целики) или их разъединенные (на своде и на полу) фрагменты (рис. 4.36-Б).
119
Наиболее ярким примером колонного зала является Зал Черновицких Спелеологов (рис. 4.37-А, в центре). Центральная часть зала наиболее «пустоте лая» и представляет собой полость высотой 4-8 м, по периферии которой располо жены колонны-целики и устья выходящих к залу ходов. В центральной части зала целиков меньше, они тоньше, много также фрагментов «съеденных» коррозией колонн (пирамидальной формы), напоминающих в разрезе песочные часы. Своды колонных залов обычно имеют волнистый профиль, который образуют своды соединившихся ходов („гребни волн") и нависающие выступы между ними - фраг менты бывших целиков.
А - примеры колонных залов пещеры: 1 - Майский, 2 - Черновицких Спелеологов, 3 - Динозавра. Б: условные стадии морфологического развития пещерного участка от трещинной сети до лабиринта (выкопировки из разных районов пещеры) Кроме Зала Черновицких Спелеологов, сходным образом развились другие крупные колонные залы пещеры - Античный, Майский (рис. 4.37-1), Динозавра (рис. 4.37-3), а также ряд меньших по размеру участков колонных сетей. В развитии колонных залов можно выделить ряд условных стадий их последовательного корро зионного расширения (ходов) и увеличения полостного пространства. На рис. 4.37-Б показаны (на конкретных примерах, взятых из разных районов пещеры) первые три стадии (фрагменты районов Камикадзе, Центрального и Метрополитена). Четвертой стадией можно считать любой из представленных на рисунке 4.37-А колонных залов. Между представленными стадиями (за исключением четвертой, последней) нет качественных различий, речь идет лишь об увеличении размеров ходов при сохранении структуры полостного пространства участка, района. Переход к 120
четвертой стадии имеет качественную природу: площадь пустотного пространства начинает превышать площадь целиков, и по мере их исчезновения изменяется структурный план (рисунок) лабиринта. Конечно, стадия(и) колонного зала в развитии сети не последняя. Если бы продолжалось воздействие вод, колонный зал со временем превратился бы в обыч ный пещерный зал, последующее развитие которого определялось бы устойчи востью пролета его сводов. В Золушке таких залов - последних стадий развития - нет. Следует подчеркнуть, что морфологический феномен колонного зала - как стадии развития сетевого лабиринта - в других лабиринтовых пещерах региона не реализован в спелеоморфогенезе или реализован слабо (потенциально - пещера Озерная, некоторые участки Оптимистической). Эволюционные обстоятельства спелеогенеза на Подолии (активные восходящие тектонические движения, меньшая мощность гипсового слоя, гидродинамические условия и т.д.) не позволили пещер ным сетям развиться даже до качественной стадии колонных залов. Тем же способом - путем полостного слияния соседних ходов - образуются
отличает отсутствие заполнителя в каньонной части ходов, из-за чего они приоб ретают специфический профиль (рис. 4.8) и вертикальное развитие. Каньонные залы развиты более фрагментарно и занимают меньшие площади, чем колонные. Наиболее ярким примером является упоминавшийся ранее район Колорадо, ближняя часть которого собственно и представляет собой каньонный зал. Еще одно обстоятельство-фактор, имеющее определенное морфогенетичес- кое значение в Золушке - это покрытие оснований стен глинистыми отложениями, обычно 0,5-2,0 миллиметровой пленкой или несколькосантиметровым слоем, увеличивающим свою мощность к днищам ходов. Глинистые пленки часто наблюда ются на нижних наклонных (к днищам) поверхностях сечений пещерных ходов. Они связаны с оседанием в водной среде мути, появлявшейся во время вывалов глинистых отложений в пещеру. Муть представляет собой очень мелкодисперсные глинистые частицы, которые могли достаточно долго удерживаться в воде и переноситься во взвешенном виде на значительное расстояние, постепенно оседая на поверхностях стен (естественно, более интенсивно на горизонтальных). С осаждением мути на наклонных «цоколях» ходов мы связываем некоторые диспро порции в развитии верхней части сечений пещерных ходов, в частности, имеющее место в случае овальных сечений (в меньшей мере ромбовидных) расширение хода в его горизонтальной плоскости. Если исходить из того, что по достижению оптимальной (округлой) формы - наиболее «рациональной» (минимальная поверхность контакта воды и породы), сечение целиком обводненного хода должно развиваться пропорционально- изометрически, то наличие некоторого уплощения овальных ходов (или корро зионных выемок на концах горизонтальных осей ромбовидных ходов) представ ляется нелогичным и наводит на мысль о действии определенных факторов. В качестве таковых предполагались: большая растворимость (скорость растворения) пород на уровне оси, наличие на последних этапах развития пещеры свободной поверхности вод, которая, соответственно запечатлелась в стенных выемках и другие. На наш взгляд, эти в общем-то малозначительные отклонения связаны с изолирующим влиянием глинистой пленки, в силу которого коррозионный процесс (на последних этапах развития пещеры) происходил быстрее на уровне, выше наклонных цоколей, покрытых пленкой. Естественно, морфогенетические следствия этого явления можно наблюдать только в ходах, цоколи которых действительно покрыты пленкой или слоем глины (как например, на Стадионе). В принципе, 121
явление это сходно с описанным В. С. Лукиным на примере Кунгурской пещеры образованием наклонных цоколей в стенах ходов и залов, хотя там причинно- следственные отношения несколько иные, чем в Золушке.
Гипсовые стены и своды пещеры покрыты различного рода коррозионными микро- и нанообразованиями. В отличие от более крупных форм, встречающихся единично, участками или прерывисто-закономерно, микроформы имеют сплошное распространение на поверхностях, ненарушенных обрушениями или покрытых отложениями. Подавляющее большинство микроформ - это мелкие, измеряемые миллиметрами, реже сантиметрами, ячеистые углубления, со сглаженными стен ками плавно переходящие друг в друга. Степень выраженности, глубина и морфоло гический характер углублений определяются кристаллическим строением гипсов, точнее размерами слагающих их кристаллов. На крупнокристаллических гипсах ячеистый рельеф выражен слабо: наноформы малозаметны, имеют овальный вид, неглубоки, достаточно крупны (сантиметры), разноразмерны. Более выраженный вид они приобретают в напорно-коррозионных нишах, куполах и «карманах», особенно в местах перехода их краев в стенные поверхности. Поверхность крупнокристаллических гипсов местами шероховата из-за выступающих граней отдельных кристаллов и их коррозионного расщепления по плоскостям спайности. С уменьшением размеров зерен (кристаллов) снижается «шероховатость» и возрастает «ячеистость» коррозионных поверхностей. Лучше всего сплошной ячеистый нанорельеф выражен на поверхности микрокристаллических плойчатых гипсов. В случае последних ячеистость (0,5-3 см) накладывается, на латерально- развитые по слоистости (плойчатости), точнее контакту слойков, слабо выраженные канавки, в результате чего стены приобретают мелковолнистый профиль. Таким образом, с уменьшением размера кристаллов изменяется характер коррозионных поверхностей, а также уменьшается влияние структурно-кристалли ческий предпосылки на их формирование. В образовании ячеистости на мелко- и скрытокристаллических поверхностях, наряду со структурной неоднородностью гип сов, существенное значение имеет гидродинамический фактор.
В главе 3 - Геология пещеры - при характеристике структурно-текстурных особенностей гипсов отмечалось, что гипсы верхней части разреза отличаются не равномерной зернистостью: среднекристаллическая масса содержит концентри чески ориентированные и радиально-центрические скопления более крупных кристаллов, а также узорчатые концентрические структуры с чередованием слоев крупно- и средне (иногда - мелко) кристаллического гипса. При внимательном осмотре структур просматривается некоторая их рельефность, наличие слабых выпуклостей и углублений, соответствующих слоям с разной величиной кристаллов. Слабая выраженность текстурного микрорельефа не позволяет однозначно (как например, в подольских пещерах, где концентрическое (сфероидальное, шаровое и т.д.) сложение гипсов выражено несравненно лучше) судить о приуроченности углублений к слоям с меньшими размерами кристаллов, а выпуклостей - с большими. 122
В средней же части разреза (см. главу 3), где чередуются слои средне- и мелкокристаллических гипсов, эта связь прослеживается очень ярко. Стены пещерных ходов, заложенных в этой части слоя (обычно - каньонные, средняя часть ходов, «ножки» профиля замочной скважины) имеют волнистый характер. Слоистость пород - хорошо подчеркнута морфологически: выступам соответствуют среднезернистые слои, углублениям - мелкозернистые (мелкокристаллические) (рис. 3.6). В верхней половине слоистой (средней) части разреза, где мощность чередующихся слоев немного меньше, чем в нижней, а слои вследствие процессов перекристаллизации гипсов волнисто-деформированы, стены ходов коррозионно «гофрированы» («проявленная» слоистость и волнистость). Микрорельеф на стенах, сложенных слоистыми гипсами с разной величиной кристаллов, указывает на разную скорость растворения более крупнокристал лических (меньшая скорость) и менее кристаллических гипсов. В научной литера туре, по крайней мере с постсоветского пространства, нет специальных публикаций, посвященных этому вопросу. А. И. Печеркин (1986) цитирует старую работу Ю. В. Порошина (1934), который установил следующий ряд скорости растворимости гипсов: селенит —> крупно и мелкозернистый алебастр —> прозрачный (пластинчатый?) гипс. Почему порода того же химического состава и с той же растворимостью, но с разной величиной слагающих ее зерен-кристаллов растворяется с разной скоростью? Насколько велика (существенна) разница скоростей? Ответы на эти вопросы могут дать лишь специальные исследования, прежде всего, экспериментальные. На сегодняшней день имеются только предположения, из которых внимания заслуживают два из них. Согласно первому, мелкокристал лические разности пород (вообще, не только гипсов) растворяются быстрее из-за их большей удельной поверхности (следовательно, площади контакта породы и воды), чем в крупнокристаллических разностях. Это предложение поверхностное, требую щее проверки посредством специальной методики подсчета или теоретических расчетов. Более убедительной кажется точка зрения, связывающая различия скоростей со степенью деформированности кристаллической решетки слагающих породу кристаллов (Печеркин, 1986). Считается, что чем порода менее раскристаллизована, тем более дислоцирована решетка ее «стесненных» окруже нием кристаллических зерен. В крупных кристаллах имеется больше завершенных (совершенных), кристаллографически «реализованных» плоскостей и граней, соответственно - меньше их дислоцированность. Дислоцированность означает наличие внутри, а особенно на поверхности кристалла, зерна, большого количества атомов, связанных с атомами решетки слабее (отсутствие нескольких соседних связей). Это определяет большую легкость их отрыва от поверхности кристалла, например, при переходе в раствор. Следовательно, дислоцированная поверхность кристалла имеет большую энергию взаимодействия, чем относительно ненарушенная поверхность. Дислокации в кристаллах - явление закономерное. Они возникают в процессе роста любого кристалла. Их плотность колеблется обычно от 10 2 до 10 8 шт/см
2 (Чернышев, 1983). Появлению дислокаций способствуют различные физические воздействия на растущие кристаллы в том числе, пространственное ограничение роста. На поверхности дислокации проявляются в виде локальных дефектов кристаллической решетки. Таким образом, мелкокристаллические разности гипсов имеют более высокую поверхностную энергию взаимодействия, что является причиной более высокой скорости их растворения. Сравнивая морфологическую разницу ( 1 - 2 - 1 5 - 2 0 см) 123
выступов и углублений на стенах и принимая во внимание длительность (тысячи лет) формирования полостей можно предположить, что разница в скорости растворения гипсов с разной структурой - небольшая. Естественно, она тем выше, чем больше разница в величине кристаллов сравниваемых пород. Вопрос этот требует, однако, специального исследования. Подобные исследования - влияния структуры пород на скорость их раство рения - представляются важными для карстологии и спелеологии. Для сульфатных пород - в связи с огромным диапазоном их структурно-кристаллических разностей, от скрытокристаллических - до гигантокристаллических, образованных чуть ли не монокристаллами полуметровой величины (например, зоны замещения в гипсовых пещерах района Сорбас, Алмерия, Испания). Скорость развития карста и формирования пещер в разностях гипсов крайних вариантов их структурного ряда может различаться, предположительно, в несколько раз. Для карбонатных пород вопрос этот менее значим, поскольку их литоструктурный «разброс» очень несущественен. Подавляющее их большинство образовано скрыто- и мелкокристаллическими типами. Тем не менее, в класси фикациях карбонатных пород по степени их метаморфизации выделяется отдель ный ряд, главными звеньями которого являются известняки неметаморфи- зированные, метаморфизированные и мраморы. Последние обладают выраженной зернистостью, иногда крупной, измеряемой миллиметрами. Как известно, мраморы «менее растворимы», чем известняки. Вопрос этот, как раз и, следует рассматривать в плоскости «кристалличности» карбонатных пород, зависящей от степени их метаморфизации. Мраморы (а вероятно и сидериты, магнезиты) растворяются медленнее своих некристаллических или микрокристаллических хемоаналогов ввиду собственно, своей кристалличности. Это логическое предполо жение также нуждается в экспериментальных доказательствах. Отдельным аспектом влияния структурно-кристаллической неоднородности гипсов на морфологию карстовых образований является морфогенетическая роль включений в гипсах. К таковым, учитывая их вторичную природу, можно отнести крупно(мега)кристаллические агрегаты пластинчатого гипса (рис. 3.9), а также глинизированные сульфатно-карбонатные ритмиты (рис. 3.12, 3.13), описанные в главе 3. Ввиду существенно меньшей скорости растворения - первых за счет «крупнокристалличности» (см. выше), а вторых - химического состава (существен ного количества илисто-карбонатных примесей) - кристаллические агрегаты и ритмиты обособляются на стенах и в сводах ходов, образуя «плафоны» и «люстры» (рис. 3.10), иногда также корродированные. Плоские грани кристаллических пластин покрыты ячеистыми наноформами (рис. 3.11), а их боковые части - линейными наноканавками, развитыми вдоль плоскостей спайности кристаллов-пластин. Отмеченные на монокристаллах типы наноформ (ячеистые и линейные) еще раз показывают насколько существенной в морфогенетическом отношении является структура сульфатных пород. Мелкая ячеистость на плоских гранях кристаллов воз можно отражает внутреннюю (закономерную) дислоцированность их кристалличес кой решетки.
Среди них выделяются, прежде всего, заполнитель первичных трещин в гипсах (кулисы), а также редко встречающиеся (в пещере встречены только в одном месте) прослои (до 8-15 см) кристаллического известняка. Морфогенетическая роль первых описана при характеристика трещиноватости гипсов. Второй случай - роль 124
Рис. 4.38. Морфология полостей на участке Подвалов Рис. 4.39. Оседание-выдавливание пластичных глин из галереи верхнего яруса в подвальный этаж полостей под прослоем кристаллических известняков 125
прослоя известняка - рассмотрим на примере небольшого участка пещеры, т.н. Подвалов. Участок Подвалов располагается в переходной от района Голландский Сыр к Геохимическому части и отличается весьма своеобразным, нехарактерным для остальной части пещеры, обликом. Он представляет собой низкую (0,5-1,0 м) латерально-развитую полость со «слепыми», разной величины полостями-расшире ниями. Их разделяет прослой известняка в местах отсутствия которого (воздействие напорных вод, трещины) собственно и развиты полости-расширения (рис. 4.38). Исходя из принятой нами концепции формирования пещеры в условиях напорно- восходящего движения вод через гипсы с латеральным оттоком в сторону дрены, морфология участка может быть прояснена как иллюстрация «деформирующего» влияния прослоя на общий спелеоморфогенез Золушки. Прослой сыграл одновременно роль проницаемой зоны, по контакту которой (нижнему) в условиях гидродинамического напора развилась невысокая горизонтальная полость, и в то же время - ограничителя роста полостей в вертикальном направлении. Те из них, которые развились до контакта с полостями верхнего яруса, стали на заключи тельных этапах формирования пещеры своеобразными каминами, через которые влажные и пластичные пещерные глины верхнего яруса, обезвоживаясь оседали вслед за падением уровня вод, выдавливаясь в подвалах в виде глиняных колонн с «отполированными» трением стенками (рис.4.39). На субаэральном этапе развития пещеры участились обрушения (отслаи вание) известняковых плит от свода (рис. 8.20). На свежий характер обрушений указывает тот факт, что плиты лежат на покрытой трещинами усыхания глинистой поверхности днищ. Активизация обрушений, если таковая имеет место, связана, по видимому, с общим усыханием пещеры, т.е. со своего рода подземным вывет риванием. 126
|