Связь морфологии пещеры с сетью трещин в гипсах

Ломаев, 1980; и др.). Посылка эта казалась настолько очевидной, что посредством 

анализа планов пещер решалась обратная задача - характеризовалась тектони­

ческая трещиноватость гипсов. 

Исходя из „тектонической очевидности" связи и заложения о почти полной 

проработке трещин (в аспекте плотности сети) считалось, что неравномерность за-

карстования слоя (в латеральной проекции - на планах пещер) отражает струк­

турно-тектоническую неоднородность гипсов. Как следствие, усилия во многом (и 

небезуспешно) направлялись на выявление и исследование иерархии трещинного 

пространства (микроблоки, например), а его площадная неоднородность связыва­

лась с различиями плотности трещин (модель пересечения более и менее плотных 

зон трещиноватости). 

Последующие исследования (Климчук, Рогожников, 1982, Климчук, Андрейчук, 

Турчинов, 1995) показали, что вопрос о структурных предпосылках спелеогенеза в 

регионе более сложный. Выяснилось, что кроме тектонических в спелеогенезе 

участвовали трещины иного происхождения (ранее, в работе 1978 года, на это 

указывали А. Б. Корженевский и В. Я. Рогожников), что трещиноватость разновоз­

растна, а ярусность трещин связана не только с литологическими различиями в 

строении гипсов (мегаслоистостью), но и с их генетическими преобразованиями 

(перекристаллизацией). Вопрос этот тщательно исследован на примере пещеры 

Оптимистической в работе А. Б. Климчука, В. Н. Андрейчука и И. И. Турчинова (1995). 

Исследования в Золушке привели автора к убеждению, что при всей 

исключительной значимости структурного фактора в морфогенезе пещеры большая 

роль принадлежала также гидродинамическим обстоятельствам циркуляции вод 

(см. 4.4). 

Чтобы адекватно оценить значение структурного фактора (трещиноватости) в 

спелеоморфогенезе Золушки рассмотрим детальнее вопрос о трещиноватости 

гипсов, следуя логике анализа, заданной в работе А. Б. Климчука, В. Н. Андрейчука, 

Турчинова (1995), и опираясь на принятую в тектонике терминологию и положения, 

изложенные в работе С. Н. Чернышева (1983) с использованием данных наших 

непосредственных наблюдений в карьерах, обнажениях и пещерах региона. 

4.2.1. Трещиноватость гипсов 

Параметры сети 

Наблюдения в естественных обнажениях и, особенно, в карьерах показывают, 

что крупные трещины в гипсах образуют системы, то есть множества примерно 

параллельных трещин, секущих гипсовые массивы. Расстояние между трещинами 

(шаг системы) зависит от их размеров. В случае крупных, хорошо выраженных 

трещин оно составляет несколько метров (3-7). Замеры направлений трещин, их 

визуальные наблюдения на искусственно вскрытой поверхности гипсов, а также 

планы пещер региона показывают, что системы трещин пересекаются, причем 

закономерно, образуя сети. Учитывая относительное постоянство углов 

пересечения трещин, видимое на розах-диаграммах трещиноватости, сеть трещин 

в гипсах может быть отнесена к типу системных. Системные сети трещин в породах 

любого состава - это трещины отрыва (разрыва) и скола, возникающие при 

специфическом сочетании тензора напряжений, когда все три главных нормальных 

напряжения различны (

 1

 >

 2

 >

 3

). В связи с пересечениями трещин, плановую 

структуру трещинных сетей образуют п-угольные (в основном 4-угольные) ячейки, а 

79 

вертикальную структуру п-угольные призмы, высота которых в несколько раз 

превышает их диаметр. Таким образом, гипсовый слой, в первом приближении 

разбит на вертикально развитые призмы (ближе всего к т.н. столбчатой отдель­

ности), шириной от  З - 4 до  5 - 7 и более м и высотой около  2 3 - 2 5 м. Такая форма 

отдельностей сети предопределяет общую анизотропию слоя, заключающуюся в 

ярко выраженной доминации вертикального вектора водопроводящего прос­

транства. 

Наблюдения в карьерах показывают, однако, что принципиальная «столбчато-

блоковая» модель трещинного пространства гипсов усложняется наличием трещин, 

„выпадающих" из системных направлений, диагональных (секущих) трещин скола 

(сдвига), плоскостей напластования гипсов (нераскрытых, но являющихся 

границами сред с разными физико-механическими свойствами), а также мелких 

внутрислойных микротрещин, очертания которых часто отражают структурно-

текстурную неоднородность гипсов (рис. 4.12). Следует, однако, отметить, что в 

отличие от наклонных секущих трещин, плоскости напластования или текстурные 

контакты «проявляют» себя лишь в случае появления дополнительных напряжений 

естественного (подземные полости, выветривание) или искусственного (взрывы) 

характера. Поэтому, они не могут приниматься в расчет при характеристике 

трещинного пространства слоя в аспекте структурных предпосылок спелео-

морфогенеза. 

Рис. 4.12. Разнотипная трещиноватость в гипсах в стене Кривского карьера 

Отдельным, очень существенным вопросом является в контексте трещинной 

сети наличие или отсутствие в разрезе слоя ярусов трещин. Вертикальная 

ярусность трещиноватости установлена в других лабиринтовых пещерах региона, 

например, в Атлантиде (Климчук, Рогожников, 1982), Оптимистической (Климчук, 

80 

Андрейчук, Турчинов, 1995) и других, где ярусные отличия трещиноватости корелли-

руют (в целом) с литолого-структурной неоднородностью гипсового горизонта. К 

сожалению, в случае Золушки, наблюдения в карьере не позволяют однозначно 

ответить на этот вопрос - вследствие наложения на естественную проекцию 

трещиноватости большого количества вторичных трещин: выветривания, разгрузки 

и взрывных. Отсутствие факта ярусного расположения сетей ходов (один над 

другим), как в некоторых случаях подольских пещер, ставит ярусность трещин под 

вопросом. Наличие же сетей верхнего яруса с неразвитыми в их днищах каньонами 

также не может являться свидетельством структурной автономности верхней части 

слоя гипсов. Вопрос о ярусности трещин в гипсах на участке пещеры будет 

рассмотрен более детально ниже. 

Что касается размеров трещин, среди них преобладают образования длиной 

от нескольких до нескольких десятков метров. По этому параметру они могут быть 

охарактеризованы как крупные и гигантские (по Л. Мюллеру, 1971), трещины и 

макротрещины (по М. В. Рацу и С. Н. Чернышеву, 1970), трещины и крупные 

трещины (по В. Н. Жиленкову, 1975) и т.д. Согласно всем, без исключения, 

классификациям - это крупные, длинные трещины, граничащие размерами с 

разрывами, нарушениями и разломами (более высокими уровнями разрывов). По 

ширине, следуя обобщающей мнения разных авторов классификации С.Н. 

Чернышева (1983), большинство трещин в гипсах может быть отнесено к узким (0,1 

-1,0 мм), средним (1,0-10,0 мм) реже - к широким  ( 1 - 1 0 см). 

Если характеризовать трещиноватость гипсов с точки зрения ее прерывистости 

(степени расчлененности гипсов на элементарные блоки), скорее всего, мы имеем 

дело с непрерывной (в отличие от прерывистой и разборной) сетью. Такая сеть 

предполагает полное расчленения массива (слоя) на блоки («разборный массив» -

термин С. Н. Чернышева), в противоположность массивам монолитным (не расчле­

ненным на блоки, а лишь содержащим обособленные трещины) и среднетре-

щиноватым, в которых некоторые блоки отчленены, а другие связаны между собой 

целиками. Вопрос этот имеет в нашем случае, да и в карстологических иссле­

дованиях вообще огромное значение, так как трещинное пространство карстовых 

массивов предопределяет их потенциальное и фактическое (реализованное в 

спелеогенезе) пустотное пространство. Как отмечает С. Н. Чернышев, в природе 

наиболее распространенны среднетрещиноватые (!) массивы, в то же время 

«большинство задач гидрогеомеханики решено для массивов с непрерывными 

сетями трещин» (1983, с. 29). 

При всей значимости данного параметра сетей для карстологических 

исследований и оценок (распределение пустот в горных массивах, предпосылка 

ярусности в пластово-платформенных условиях, степень закарстованности и т. д.) 

выяснение его связано с существенными методическими трудностями. Предло­

женные к настоящему времени методы и параметры количественной оценки преры­

вистости несовершенны. Можно предполагать, что в случае карстовых массивов, 

сложенных преимущественно, осадочными породами, чаще всего, мы имеем дело с 

непрерывными и прерывистыми сетями (преобладание внешних трещинофор-

мирующих напряжений, а не внутренних, как например, в остывающих гранитных 

батолитах и т.д.). 

В случае гипсов, в пользу непрерывности сети и «полноблочности» слоя 

косвенно свидетельствуют: 

1. Небольшие (в геологическом смысле) размеры и геометрически правильный 

характер гипсового слоя, его сравнительно небольшая мощность; 

2. Однородное, выдержанное по простиранию строение слоя, его монолитный, 

81 

скальный характер; 

3. Наличие систем трещин, предполагающее однородность проявления 

трещиноватости на значительной площади; 

4. Прослеживаемый секущий (весь слой) характер крупных трещин; 

5. Развитие, в ряде случаев, почти на всю мощность гипсового слоя 

вертикальных элементов пещеры (крупные хода, колодцы). 

Тем не менее, наличие в гипсах трещин иных (чем системообразующие 

тектонические) генетических генераций, в том числе связанных с процессами 

диагенеза и локализующихся в верхней части гипсового слоя, несколько усложняет 

картину. Если принимать во внимание только сеть тектонических трещин, то она 

удовлетворяет определению непрерывной. Если же учитывать трещины иных 

генераций и характер их соотношения с тектоническими, непрерывность сети 

снижается, особенно в вертикальном разрезе (см. ниже). 

Важной количественной характеристикой степени трещиноватости является 

пустотность, выражаемая в процентах. Принимая во внимание незначительную 

ширину трещин в гипсах  ( 0 , 1 - 1 , 0 см), а также их небольшую частоту (через 

несколько метров) трещинная пустотность гипсов при средней ширине трещин 

0 , 5 - 1 , 0 см составит 0,8 - 1,6% (при шаге трещиноватости 4 м). Фактическая 

трещинная пустотность гипсов при нераскрытых коррозией или тектоникой трещинах 

должна быть еще меньшей (< 0,5%), что ставит ее в классификационном ряду С. Н. 

Чернышева на среднюю (0,1-1,0%) позицию. 

Распространенной характеристикой степени трещиноватости служит 

поперечник блоков, определяемый как расстояние между трещинами (а) в системе 

по перпендикулярному к ним направлению или через модуль трещиноватости Мт 

- количество трещин на 1 пог. м массива. Исходя из частоты трещин в гипсах, рав­

ной нескольким метрам, их трещиноватость по данному показателю может быть 

определена как очень редкая (по классификации В. В. Белоусова, 1952, М. В. Раца и 

С. Н. Чернышева, 1970), редкая и очень редкая (по Ч. Джегеру, 1975) или слабая (по 

В. Н. Жиленкову, 1975; и др.). 

Для тектонических трещин используются такие показатели как суммарная 

длина трещин (в м) или количество их пересечений на единицу площади (L

T

 и К

т

) 

(Печеркин А., 1986 и др.). Согласно подсчетам А. И. Печеркина (1986а, 1986б) на 

участке Золушки (по данным измерений в карьере и непосредственно в пещере) 

показатель L

T

 колеблется в границах 50-300 м на 225 м

2

, а К

т

 - 5-20 на 225 м

2 

(участок 15x15 м) (рис. 4.13). В пересчете на показатель а (см. выше) это сос­

тавляет 3,5-5,0 м. 

Генетические типы трещин образующих трещиноватость 

Исследования последних 15-20 лет, проведенные в пещерах левобережья 

Днестра (Подолия) достаточно убедительно указывают на главную роль трещин 

контракционных (по крайней мере для верхнего яруса полостей) в предо­

пределении трещинного пространства пещерных сетей. В буковинской части 

региона, судя по розам-диаграммам трещиноватости (карьеры и пещеры), 

существенную роль в качестве трещинной предпосылки спелеоморфогенеза играют 

тектонические трещины. Достаточно убедительные доказательства эндокине-

тической природы спелеоинициирующей трещиноватости в большинстве подоль­

ских лабиринтов, с одной стороны, и значительное участие тектонических трещин в 

82 

морфогенезе буковинских пещер - с другой, переводят данный вопрос в 

региональную плоскость и указывают на необходимость его тщательного анализа. 

Рис. 4.13. Карстосхемы изолиний длины (А) и количества пересечений (Б) 

трещин на 225м

2

 поверхности пещерного поля (по Печеркину А., 1986): 

1 - вход в пещеру, 2 - фрагмент пещерного поля, охваченный исследованиями (ближняя и 

центральная части пещеры) 

83 

Как выглядит ситуация в случае Золушки, т.е. в районе пещеры? 

Проанализируем вопрос следуя историческому (геолого-генетическому) принципу. 

Его суть по отношению к анализу трещиноватости заключается в выделении 

генетических типов сетей в соответствии с этапами развития трещиноватости 

(Нейштадт, 1957, Рац, 1962, Чернышев 1983). С. Н. Чернышев отмечает (1983), что 

почти в каждом случае трещиноватость массива в своем развитии проходит через 

ряд этапов: 1) первичное растрескивание при литогенезе, 2) тектонические дефор­

мации, 3) гипергенез, 4) техногенез. На каждом этапе (кроме первого) унасле-

дованно развиваются трещины, возникшие ранее, но возникают и новые трещины. 

Еще один принцип, которому мы будем следовать при анализе - принцип 

унаследованности в развитии трещин. В той же работе, основываясь на данных 

многолетних исследований, С. Н. Чернышев излагает вывод, что большинство 

трещин в массиве развивается унаследованно (этот тезис нетрудно обосновать с 

физико-механических позиций). В связи с этим каждая трещина обычно «несет на 

себе черты, полученные при литогенезе, тектонической деформации массива, 

гипергенезе и, нередко, техногенезе» (с.34). Это обстоятельство порождает 

разногласия по части отнесения трещин или их систем к тому или иному типу, если 

исследователи опираются лишь на избранные их параметры. Логично, поэтому, 

следовать схеме анализа, базирующейся на упомянутых принципах. Рассматривая 

кратко каждый из упомянутых этапов (литогенетический, тектогенетический, 

гипергенеза и техногенеза) последовательно охарактеризуем: 

унаследованные старые трещины, преобразуемые на новом этапе; 

новообразованные трещины; 

законсервированные (залеченные, закольматированные) трещины, оставшиеся 

от предыдущего этапа в неизменном виде. 

Первичные (контракционные) трещины 

Первичные трещины возникают в осадке в процессе его литификации 

(обезвоживания, уплотнения, кристаллизации). На скорость их образования, 

характер и размеры влияют состав осадка, количество запасенной энергии, степень 

его гидратированности (влагосодержание), мощность слоя и прочие факторы. 

Гипсовый осадок, откладывающийся химическим путем в мелководных 

заливах, лагунах или озерах (себха) под тонким слоем воды характеризуется 

значительным запасом энергии и воды в разных состояниях (в т.ч. связной). Это 

определяет его потенциально высокие энергетические возможности в обеспечении 

(энергией) процесса трещинообразования, в т.ч. формирования трещин значитель­

ных размеров. Естественно, образование трещин начинается после полного 

высыхания водоема и «выставления» его на действие внешних факторов среды. В 

случае свежего гипсового осадка, представляющего собой в верхней части 

фактически водную взвесь мелких кристаллов, главным импульсным фактором 

литогенеза будет обезвоживание вследствие испарения влаги. Обезвоживанию, т.е. 

последовательной потере воды, вначале свободной, а затем все «менее 

свободных» ее форм (исключая химически связанную) сопутствует гравитационное 

уплотнение осадка. Эти две силы (стяжения и веса) определяют характер 

распределения напряжений в слое осадка. Стяжение в изотропном материале 

(каковым является гипсовый осадок) дает шаровой тензор напряжений, а сила 

тяжести создает вертикальное сжимающее главное нормальное напряжение 

(Чернышев, 1983). В результате сложения полей напряжений, эллипсоид 

напряжений приобретает форму эллипсоида вращения с короткой вертикальной 

84 

осью и равными горизонтальными. В таких условиях, пишет С. Н. Чернышев, «при 

наличии растяжения во всех направлениях с ростом контракционных напряжений в 

первую очередь возникают вертикальные трещины отрыва» (с. 40) с произвольной 

ориентировкой - в силу равенства главных нормальных напряжений в 

горизонтальной плоскости. 

Возникая на поверхности осадка и развиваясь (удлиняясь и расширяясь) 

трещины смыкаются (сочленяются), образуя вначале отдельные полигоны, а затем 

автономно развивающиеся фрагменты полигональных сетей вплоть до 

формирования единой сети. В однородных средах возникают преимущественно 

ортогональные трещины (Достовалов, 1959) с преобладанием трехлучевого их 

смыкания (исследования А. Веба, М. В. Раца и С. Н. Чернышева). Такое смыкание 

укладывается в концепцию автономного (одновременное зарождение трещин во 

множестве точек по всей обнаженной поверхности слоя) развития каждого участка 

сети. Этот вывод обосновывается С. Н. Чернышевым (1983) и представляется 

весьма важным для дальнейших рассуждений. 

Ширина трещин и поперечник возникающих полигонов прямо зависят от 

величины энергии, запасенной в осадке и, прежде всего, что важно в нашем случае, 

связной воды. Чем ее больше, тем больше будет размер трещин. Специфика 

гипсового осадка, заключающаяся помимо всего прочего, в значительной способ­

ности удерживать воду (что так важно и широко используется в строительстве) 

предопределяет его исключительно высокие предпосылки для формирования 

крупных трещин, а также - сравнительную растянутость процесса трещино-

образования (месяцы и годы) в отличие от осадков, быстро отдающих влагу. Можно 

в таком случае предполагать, что контракционные трещины в гипсах должны быть 

сравнительно широкими (до нескольких десятков см, а не несколько см, как обычно), 

а поперечники полигонов - большими (первые метры). Но здесь «вступает в игру» 

еще одно очень важное обстоятельство - глубина трещин. От того как глубоко могут 

развиваться контракционные трещины зависит во многом их ширина и длина и, 

соответственно, поперечник полигонов. 

Глубина развития первичной трещины определяется, прежде всего, 

вертикальной мощностью осадка или его верхней зоны, в которой происходит 

(может происходить) литификация, т.е. зоны, в которой не исчерпана «энергия 

литификации», подразумевающиеся в числе прочих, наличие связной влаги, которая 

может испаряться. Исходя из ряда предпосылок, логично вытекающих из сказанного 

ранее, в гипсовом осадке такие условия сохраняются по меньшей мере в нескольких 

(5-10?) метрах верхней части слоя. Эти предпосылки следующие: 

1. Способность гипсового осадка длительное время удерживать связную воду. По 

этой причине осадок мог оставаться существенно влагонасыщенным на 

значительную глубину. Даже если в нижних частях слоя вода в осадке 

вследствие его уплотнения содержалась лишь в связном виде, все равно это 

предопределяло возможность их вовлечения в дегидратационный процесс при 

появлении соответствующих условий (вскрытии трещиной). 

2. Сравнительно постепенный, растянутый во времени характер отдачи влаги в 

пространство, заключающийся в последовательном продвижении (углуб­

лении) «фронта испарения» на острие трещины вглубь. Процесс дегидратации 

происходил, по-видимому, этапно, отражая потерю осадком разных форм воды 

- от свободной до связной. При этом, длительность каждого последующего 

этапа была намного большей в связи с неуклонной потерей осадком энергии, с 

одной стороны, и всевозрастающими трудностями отрыва молекул воды при 

переходе к более связным (с частичками осадка) ее состояниям - с другой. 

85 

Сказанное означает, что в специфической ситуации, каковой является 

литифицирующийся гипсовой осадок, процесс образования первичных, контрак-

ционных трещин растягивается во времени и принимает макромасштабное выра­

жение. Формирующаяся сеть полигональных трещин, с преимущественно трех­

лучевыми смыканиями, по своим размерным параметрам (длина трещин, 

поперечник полигонов, плотность трещиноватости) приближается к параметрам 

тектонических сетей (см. ниже). Это обстоятельство, учитывая принцип 

унаследованного развития трещиноватости, имеет большое значение, так как 

предполагает «гашение» тектонических напряжений в слое гипсов (или его верхней 

части) существующими первичными трещинами и, соответственно, меньшую 

выраженность тектотрещинных новообразований. Несущественно исправляет 

ситуацию факт залечивания первичных трещин: плотный, литифицированный 

заполнитель трещин становится проводником тектонических напряжений, 

вследствие чего поле напряжений в слое становится непрерывным и он «работает» 

как монолит, системно реагирующий на внешнее силовое воздействие. 

Итак, на первом, начальном этапе, в верхней части гипсового слоя 

(предположительно 5-10, а может и больше метров) сформировалась сеть контрак-

ционных трещин. Геологическим (палеогеографическим) условием ее формирова­

ния является наличие перерыва (пусть кратковременного - вплоть до нескольких 

лет!) в накоплении осадков после образования гипсов. Существуют доказательства 

наличия такого перерыва (см. Главу 11,12). Одним из наиболее убедительных 

является литифицированный заполнитель первичных трещин, обнаруживаемый в 

ряде гипсовых пещер региона, но наиболее широко и многоаспектно 

представленный собственно в Золушке. 

Тектонические трещины 

Трещины этого типа образуются на следующем этапе трещинообразования, 

когда осадок по мере литификации постепенно приобретает „чувствительность" к 

внешним (тектоническим) напряжениям, а превратившись в твердое, скальное тело 

становится, вместе с окружающими породами, проводником и ареной наложения 

полей внешних напряжений (планетарных, региональных, локальных). Реакцией на 

эти напряжения является возникновение ориентированных (в зависимости от 

направления воздействия) систем трещин, а вследствие их наложения - сетей. 

Внешний характер напряжений, несоразмерность масштаба их полей (несравненно 

крупнее) и величины слоя предопределяют однотипное растрескивание слоя по 

«силовым линиям поля напряжений», вследствие чего тектонические сети 

приобретают системный характер. Системность - основная особенность тектони­

ческих трещин (Чернышев, 1983). В зависимости от источника напряжений, текто­

нические трещины делят на планетарные (связанные с ротационными силами -

вращением Земли вокруг собственной оси), складок (связанные с напряжениями, 

возникающими при формировании тектонических структур) и приразрывные 

(сопутствующие разрывам - нарушениям и разломам). 

Наличие в твердых скальных породах тектонических трещин той или иной 

генерации или нескольких генераций - имманентное свойство этих пород, в данном 

случае, гипсов. Вопрос о них не может обсуждаться в аспекте их наличия или 

отсутствия, но в аспектах: 

насколько широко и в каком виде тектонические трещины представлены на 

участке исследований, в регионе? 

насколько унаследованный по отношению к ранее возникшим (первичным) 

86 

трещинам характер имеет тектоническая трещиноватость? 

каково соотношение унаследованно развитых и новообразованных трещин, 

каковы признаки тех и других? 

Судить о присутствии и виде тектонических трещин на участке пещеры можно 

исключительно опираясь на данных измерений в Кривском карьере. Измерения 

трещин производились в карьере в разное время (конец 70-х, 80-е, частично в 2006 

г.). В связи с высокой закарстованностью и разрушением верхней части слоя 

(верхний уступ) замерялись трещины на нижнем уступе, соответствующим нижней 

половине разреза гипсов (средняя часть и большая часть нижней). Изучались 

трещины заведомо тектонические, т.е. прямолинейные, вертикальные, секущие всю 

видимую часть разреза гипсов, повторяющиеся через определенное расстояние и 

т.д. Данные замеров отражены на рис. 4.14 -А. 

жүктеу/скачать 15,58 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: