Карстовая пещера — подземная полость, возникшая или расширенная благодаря растворению горных пород водой. Чаще всего такие пещеры развиваются в известняках и доломитах, но карстовые формы встречаются также в гипсе, каменной соли и некоторых других растворимых породах. Их размеры, планировка и сохранность не определяются одним условием: результат складывается из свойств породы, движения воды, строения трещин, рельефа и истории местности.
Одни подземные системы превращаются в протяжённые лабиринты с несколькими уровнями, другие остаются небольшими полостями или быстро разрушаются. Внутри пещеры могут появляться сталактиты, сталагмиты и другие натёчные образования, но они не обязательны для карстовой полости. Чтобы понять различия, полезно отделять образование самой пещеры от последующего изменения её ходов и формирования отложений.
Что называют карстом
Карстом называют совокупность процессов растворения пород и связанных с ними форм рельефа. Процесс начинается не только под землёй: вода может растворять породу у поверхности, проникать в трещины и постепенно расширять их. В результате формируются воронки, поноры, подземные каналы, пещеры и источники. Набор форм зависит от того, как вода попадает в породу и куда она может оттуда выйти.
Для карбонатных пород важна вода, содержащая растворённый углекислый газ. Углекислый газ из воздуха и почвы участвует в образовании слабокислого раствора, способного растворять кальцит — основной минерал известняка. Вода забирает растворённые вещества и переносит их дальше. Это химическое выветривание происходит постепенно, а уже существующие трещины и полости могут направлять и ускорять движение потока.
Название «карст» связано с областью Крас в Словении, где характерны такие формы рельефа. Однако карстовые ландшафты есть во многих частях мира. Пещеры в растворимых породах различаются по происхождению, поэтому термин «карстовая» не означает, что каждая из них образовалась одинаково или только за счёт одного химического механизма.
Главные факторы, определяющие развитие пещеры
1. Состав и строение породы
Растворимость породы задаёт, насколько легко вода может создавать полости, но не предсказывает итоговый размер пещеры сама по себе. Известняк обычно растворяется водой с углекислым газом, а гипс и каменная соль растворяются в воде иначе и часто легче. Поэтому полости в разных породах могут формироваться с разной скоростью, но скорость зависит также от притока воды, температуры, химического состава и возможностей для отвода раствора.
Не менее важны слоистость, трещиноватость и наличие контактов между породами. Вода охотнее движется по уже существующим трещинам и границам слоёв, чем через сплошную массивную породу. Если трещины соединены в непрерывную сеть, они могут стать каркасом будущих ходов. Если же порода слабо проницаема или трещины изолированы, растворение будет формировать отдельные небольшие полости, а не связанную систему.
2. Количество и химические свойства воды
Для развития пещеры нужен не просто контакт породы с водой, а её движение. Просачивание осадков через почву и трещины, таяние снега, реки, теряющие часть потока в поноры, и подземные водоносные горизонты могут снабжать карст водой. Важны и химические свойства этой воды: содержание растворённого углекислого газа, кислотность и количество уже растворённых минералов влияют на её способность растворять породу.
Свежая вода, ещё не достигшая химического равновесия с породой, обычно может растворять её активнее, чем вода, уже насыщенная соответствующими минералами. Поэтому непрерывное поступление новой воды способно поддерживать растворение. При этом большой расход не всегда означает большую пещеру: если вода проходит по краткому пути и быстро выходит, она может не успеть расширить множество боковых трещин.
3. Направление потока и рельеф
Вода движется под действием силы тяжести и перепада давления, следуя по доступным каналам. Положение долин, рек, источников и водоупорных слоёв влияет на то, куда направляется подземный сток. Если местная река понижает свой уровень, подземные воды могут постепенно перестраивать путь к более низкому выходу. В некоторых пещерных системах поэтому различают ходы на разных высотах, связанные с изменением условий стока.
Пещера может быть частью водоносной системы, а не изолированной сухой полостью. В активных ходах вода продолжает течь, переносить растворённый материал и иногда обломки. В старых ходах поток может исчезнуть после изменения русла или уровня грунтовых вод. Сухость отдельного участка, таким образом, не доказывает, что он никогда не был водным каналом.
4. Климат и время
Климат влияет на количество осадков, сезонность стока, температуру и условия почвообразования. Почвенный углекислый газ может повышать способность просачивающейся воды растворять карбонатные породы. Но связь между климатом и размером пещеры не сводится к правилу «больше дождей — больше пещера»: значение имеют характер осадков, их проникновение в массив и отвод подземной воды.
Карст развивается в течение длительного времени, однако его история не обязательно непрерывна. Изменение климата, поднятие или опускание территории, врезание рек и перестройка водосборов могут менять направление и интенсивность стока. Одни участки системы продолжают расширяться, другие становятся сухими или заполняются осадками. Поэтому современный вид пещеры отражает несколько этапов развития, а не всегда одну действующую сегодня причину.
Как условия отражаются на форме подземных ходов
Геометрия ходов часто сохраняет следы того, как двигалась вода. Тоннелеобразные каналы могут быть связаны с потоком под давлением, а ходы, расширенные текущей водой, нередко имеют неровное сечение и следы размыва. Вертикальные колодцы могут возникать там, где вода уходит вниз по трещине или воронке. Эти признаки помогают геологам выдвигать гипотезы, но один элемент формы редко позволяет однозначно восстановить всю историю пещеры.
В некоторых районах вода теряет часть растворённого материала, когда меняются её химические условия. Тогда вещества могут осаждаться на стенах и потолке, образуя натёки. Наиболее известные примеры — сталактиты, растущие с потолка, и сталагмиты, нарастающие на полу. Для их формирования нужны условия, при которых минерал выпадает из раствора; поэтому натёки могут отсутствовать даже в крупной пещере.
Пещерные отложения бывают не только химическими. Внутрь могут попадать глина, песок, галька и обломки породы, принесённые водой или обрушившиеся со стен. Осадки способны частично перекрыть ход, изменить направление потока и сохранить свидетельства прежних условий. Позднее вода может вынести часть заполнителя или прорезать в нём новый канал.
Сравнение пород, в которых образуется карст
| Порода | Как влияет растворение | Что важно учитывать |
|---|---|---|
| Известняк | Растворяется водой, содержащей углекислый газ; в трещинах могут развиваться разветвлённые ходы. | Существенны трещиноватость, слоистость и поступление воды. |
| Доломит | Подвержен карстованию, но его поведение отличается от чистого известняка. | Результат зависит от состава породы и структуры массива. |
| Гипс | Растворяется в воде, поэтому полости могут формироваться при иных условиях, чем в карбонатных породах. | Подземные формы и устойчивость массива зависят от циркуляции воды и геологического строения. |
| Каменная соль | Хорошо растворяется водой и может образовывать полости. | Такие полости особенно зависят от защиты соляного пласта от поступления пресной воды. |
Таблица показывает общие различия, а не позволяет предсказать свойства конкретной пещеры. Даже в одной породе соседние участки могут отличаться по трещинам, водопритоку и устойчивости. Для оценки подземной полости нужны сведения о местной геологии и гидрологии.
Обрушения и изменения пещер
Подземная полость меняет напряжённое состояние окружающей породы. Если потолок или боковые стенки теряют устойчивость, часть породы может обрушиться и увеличить зал, перекрыть ход или создать завал. На устойчивость влияют прочность пород, размеры пролёта, трещины, вода и изменения нагрузки сверху. Поэтому широкий зал не обязательно является результатом одного лишь растворения: его нынешняя форма могла измениться после обвалов.
Когда потолок пещеры становится слишком тонким или разрушается, на поверхности может появиться провал. Однако не всякая яма или воронка — карстовая: похожие формы могут возникать из-за обрушения горных выработок, просадки грунта и других причин. Для различения важны геологическое строение, связь с подземными полостями и история участка. В населённых местах оценку риска проводят специалисты, а не по одному внешнему признаку.
Как изучают карстовые пещеры
Исследование начинается с описания пород и поверхностных форм, наблюдений за источниками и водотоками, а также картирования доступных ходов. Спелеологи фиксируют направление галерей, отметки высоты, проходы и водные препятствия. Геологи сопоставляют эти данные с трещинами, слоями породы и рельефом, чтобы понять возможные пути движения воды.
Для изучения подземного стока применяют гидрологические наблюдения и, при подходящих условиях, трассирование: в воду вводят безопасный индикатор и проверяют, появляется ли он в предполагаемом источнике. Геофизические методы могут помочь выявить особенности подповерхностного строения, но их результаты нуждаются в проверке другими данными. Ни один отдельный метод не даёт полной картины сложной карстовой системы.
Почему карстовые территории требуют осторожности
Карстовые районы уязвимы к загрязнению подземных вод: вода может быстро уходить в трещины и воронки, а затем попадать в источники. Естественная фильтрация в таких условиях не всегда задерживает загрязнители так, как это происходит в более плотных грунтах. Поэтому хозяйственная деятельность на карстовых территориях требует учёта водосборов и путей подземного стока.
Пещеры также могут иметь научную, природную и культурную ценность. Посетители способны повредить хрупкие натёки, нарушить условия обитания животных или оставить загрязнения. В закрытых и оборудованных пещерах следует соблюдать местные правила доступа, а в необустроенные полости не входить без подготовки и сопровождения опытных специалистов.
Кратко: от чего зависит результат
- От породы: её растворимости, состава, слоистости и прочности.
- От воды: её количества, химических свойств, направления и непрерывности движения.
- От строения массива: трещины и границы слоёв задают возможные пути подземного стока.
- От рельефа и истории местности: изменение уровней рек и водоносных горизонтов может перестраивать систему.
- От времени и обрушений: первоначальные ходы могут расширяться, заполняться осадками или разрушаться.
Частые вопросы
Все ли карстовые пещеры образуются в известняке?
Нет. Карстовые полости встречаются также в доломите, гипсе, каменной соли и других растворимых породах. Механизм и скорость развития зависят от свойств конкретной породы и движения воды.
Обязательно ли в карстовой пещере есть сталактиты?
Нет. Сталактиты и другие натёчные образования формируются лишь там, где химические условия позволяют минералам осаждаться из воды. Пещера может быть карстовой и без заметных натёков.
Можно ли определить происхождение пещеры по её форме?
Форма даёт подсказки о движении воды и последующих изменениях, но обычно не является достаточным доказательством сама по себе. Её рассматривают вместе с геологическим строением, водным режимом и другими данными.
Почему карстовые провалы возникают не везде, где есть пещеры?
Для провала должны сложиться условия, при которых порода над полостью теряет устойчивость и обрушивается или проседает. Значение имеют глубина и размеры полости, свойства перекрывающих пород, трещины и движение воды. Наличие пещеры само по себе не означает неизбежного провала на поверхности.