Карст и карстовые формы рельефа

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 CO₂ 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 10-12⁰) 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 км². 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.