Карст (от назв. плато Карст на Балканском п-ве) — процесс растворения и механической эрозии горных пород природными поверхностными и подземными водами и связанный с ним комплекс форм рельефа. Он является особым видом денудации, ведущей к разрушению и преобразованию земной поверхности и созданию специфических форм рельефа. Карст относится к опасным для человека процессам, вызывающим разрушение гражданских и промышленных объектов (зданий, железных дорог, линий электропередач, плотин и др.), подтопление шахт и рудников, строительных котлованов, фильтрацию воды из водохранилищ. Он затрудняет строительство гидроэлектростанций. Вместе с тем с карстом связано образование многих полезных ископаемых: бокситов, фосфоритов, огнеупорных глин, селитры, мумие, серы. В карстовых трещинах из гидротермальных растворов кристаллизовались многие ценные рудные минералы: цинк, свинец, железо, марганец, ртуть и даже золото. Закарстованные породы являются хорошими коллекторами углеводородов (нефти и газа) и используются как современные газохранилища. Кроме того, они являются вместилищами подземных в0д, используемых для водоснабжения городов и поселков.
Факторы и условия образования карстовых форм рельефа
Основным фактором карстового процесса является вода, содержащая углекислоту (С02). Это атмосферная, талая, речная, подземная, а на побережьях морей — морская вода. Углекислота β воде находится в растворенном состоянии, причем в холодной воде углекислота растворяется в большем количестве, чем в теплой. Она поступает в воду из атмосферы, а также в результате разложения органических остатков в почве и выделения растительностью в процессе фотосинтеза. Еще одним источником углекислоты является вулканическая деятельность. Разрушение пород под действием химического растворения и выноса веществ в водном растворе называется коррозией (от лат. corrosio — разъедание). Образование карстовых форм рельефа происходит при определенных условиях.
1. Вещественный состав пород является основным условием образования карстовых форм. Свойством химически растворяться и выщелачиваться обладают породы карбонатные (известняк,
доломит, мел, мергель, в меньшей степени мрамор), сульфатные (гипс, ангидрит) и некоторые соли (натриевая, калийная). Эти породы называются «карстующимися». Немаловажное значение имеет чистота породы или присутствие в ней различных включений, глинистых, пылеватых или песчаных частиц, которые ослабляют растворимость породы, закупоривают или кольматируют (от итал. colmata — наполнение) трещины и, накапливаясь, делают породу водонепроницаемой. Возраст пород не влияет на развитие карста: «карстуются» породы всех возрастов — от докембрия до четвертичных.
2. Характер поверхности пород или рельеф. На горизонтальных или вогнутых поверхностях вода лучше просачивается в породу, чем на наклонных и плоских, по которым она стекает. При этом залегание пород может быть как горизонтальным, так и наклонным.
3. Трещиноватостъ пород, их раздробленность, а также пористость обусловливают глубокое проникновение воды в породу
4. Гидродинамическая обстановка, положение грунтовых и других типов подземных вод определяют интенсивность и глубину развития карстовых процессов и форм рельефа. В общем случае, чем мощнее массив карстующихся пород и глубже находится горизонт грунтовых вод, дренируемых рекой или морем, тем активнее идет вертикальная циркуляция воды и активнее развиваются коррозия и формы растворения внутри массива и на его поверхности. Для оценки закарстованности массива пород, дренируемого рекой (или морем, озером, водохранилищем), прогнозирования развития и скорости карстовых процессов, в нем выделяются следующие вертикальные и горизонтальные гидродинамические зоны (Д. С. Соколов, Г. А. Максимович, А. Г. Лыкошин и др.) (рис. 11.1). I — зона аэрации, или вертикальной циркуляции, в которой
периодически поступающая вода (дождевая, талая) свободно по трещинам движется вниз.Мощность этой зоны зависит от мощности карстующихся пород и положения базиса эрозии (уровня воды в реке, море), к которому направлен поток грунтовых вод. В этой зоне коррозия наиболее активна и в ней развивается наибольшее количество вертикальных карстовых полостей. II — зона сезонного колебания или периодического повышения и понижения уровня грунтовых вод, вызванного неравномерным поступлением воды из зоны аэрации, а также реки или водохранилища во время паводков. Величина колебания может достигать нескольких десятков метров. Это зона неравномерного развития коррозии (то ослабление, то активизация) и карстовых форм. III — зона полного водонасыщения, в которой происходит горизонтальное движение воды к уровню водоема. Кроме того, здесь происходит сифонная циркуляция в виде восходящих карстовых источников, которые вызывают образование карстовых форм. При повышении уровня грунтовых вод вертикальная циркуляция воды ослабляется, но усиливается горизонтальная. Коррозия и образование карстовых форм идут более активно вблизи места разгрузки грунтовых и подземных вод, т. е. в присклоновой или береговой зоне массива. В придолинной зоне карстовые формы часто развиваются в рвах отседания, протягивающихся параллельно берегу. Чем дальше
от места разгрузки вод (приводораздельная зона), тем менее активны карстовые процессы.
Основные морфолого-генетические типы карста. По структурным условиям выделяются два класса современного карста:равнинный и горный. В пределах этих классов в зависимости
от геологического строения, истории развития территории карст и связанные с ним формы рельефа подразделяются на ряд типов (Д. С. Соколов, Н. А. Гвоздецкий, Г. А. Максимович и др.). По составу пород выделяются карбонатный, сульфатный, галоидный (соляной) и переходные между ними типы карста (карбонатно-сульфатный и др.). Внутри литологических типов выделяются подтипы, например, в карбонатном карсте выделяется известняковый, меловой,
доломитовый и др. На основании того, развивается ли карст в настоящее время на поверхности или под покровом каких-либо отложений, выделяют в первом случае голый, или средиземноморский, карст, а во втором — покрытый, или восточно-европейский (русский), карст.
По возрасту карст разделяется на современный (развивающийся) и древний (не развивающийся), или ископаемый. Все представленные классы и типы карста развиты во всех климатических поясах земного шара. Широко они распространены и на территории Русской равнины, где выделяется восемь карстовых областей, включающих ряд провинций и округов с различными
типами карста (рис. 11.2). На карте видно, что на большей части Русской равнины развит карбонатный карст, преимущественно известняковый. На меньшей площади и, главным образом, в южных районах развит меловой карст. Несмотря на разнообразие типов карста, для всех них
характерны одни и те же или близкие формы рельефа. Ниже рассматриваются современные, или развивающиеся, карстовые формы.
Формы карстового рельефа. Выделяются поверхностные и подземные формы. Поверхностные формы наилучшим образом представлены в голом типе карста. Развитие поверхностных форм идет от образования простых форм к более сложным. Первичными простейшими формами являются карры — борозды, образующиеся при поверхностном растворении и выщелачивании (коррозии) карстующихся пород, сопровождающихся их эрозией (рис. 11.3). Глубина и ширина борозд измеряются от нескольких до десятков сантиметров, хотя в горах размеры их могут увеличиваться до первых метров. Борозды разделяются неровными, часто острыми, зубчатыми гребнями. По форме выделяются карры канавкообразные, желобковые, лунковые (округлые), прямолинейные, извилистые и др. (Н. А. Гвоздецкий) (рис. 11.4). Трещиноватость пород обусловливает прямолинейность форм, а от особенностей залегания и чередования разных по составу слоев зависит полосчатый рисунок, образуемый каррами. Широкое площадное развитие карров называется карровым полем. Карры образуются только на обнаженных породах. Растительность и покров элювия препятствуют их образованию. Воронки являются самыми распространенными формами в любом типе карста. Принято выделять три типа воронок: поверхностного растворения, провальные и воронки просасывания. Среди них только первый тип является собственно карстовым или коррозионным, тогда как в образовании двух других типов воронок участвуют и иные процессы. Воронки поверхностного растворения (коррозионные)
образуются из карров при их расширении и углублении или без них на участках повышенной трещиноватости и выветрелости пород. Выщелоченный материал в растворенном состоянии уносится в подземные полости. Воронки имеют округлую или овальную форму в плане, а в поперечном сечении — конусовидную или чашеобразную (рис. 11.5 а). Размеры воронок различны: от небольших диаметром до 10 м и глубиной до 5 м, до крупных, диаметр которых достигает сотен метров, а глубина — 50-80 м. На дне воронок обычно существуют поноры — углубления, отверстия, каналы или трещины, поглощающие поверхностную воду и проводящие ее вглубь. Нередко они еле заметны, т. к. зарастают травой или кустарником. Воронки характерны для всех типов карста. Коррозионные воронки развиты в горах, на плоскогорьях и нагорьях, структурных плато и на равнинах. В отдельных районах количество их измеряется сотнями и тысячами. Так, в Горном Крыму их насчитывается около 5000, а в Предуралье, в частности Башкирии, на 1 км2 приходится до 350 воронок (Н. А. Гвоздецкий).
Провальные воронки, или провалы, образуются при обрушении сводов подземных полостей. Поэтому они являются коррозионно-гравитационными формами. Такие воронки имеют крутосклонную цилиндрическую форму (рис. 11.5 б), которая со временем в результате сглаживания склонов преобразуется в конусовидную. Глубина провальных воронок достигает нескольких десятков метров. На их дне обычно лежат обломки обрушившихся пород с примесью глинистых продуктов химического разложения карбонатов. Иногда глинистый материал, вымываемый из породы, закупоривает поноры, и тогда в провальных воронках образуются небольшие озера. Провальные воронки часто образуются внезапно, тогда как воронки первого типа формируются длительное время. На побережьях морей образуются абразионно-коррозионные воронки. Помимо химического растворения волны еще и механически разрушают карстующиеся породы. При активном развитии карстового процесса воронки углубляются и расширяются. При слиянии нескольких воронок образуются вытянутые ложбины, или округлые котловины. Диаметр последних достигает 200-400 м, а глубина может превышать 20-30 м. При дальнейшем развитии карста образуются еще более крупные и замкнутые депрессии, или полья. Длина и ширина их может достигать нескольких километров. Их дно плоское широкое, иногда имеет наклон в разные стороны, а склоны — крутые. Обычно полья сухие, реже заняты временными потоками или озерами. Тогда на их дне накапливаются соответствующие осадки. Происхождение польев объясняется по-разному Согласно наиболее простой версии, они образуются при расширении и слиянии воронок и котловин, когда карстовый процесс идет вширь, т. к. ниже залегают некарстующиеся породы. Помимо этого существуют тектоническая гипотеза, по которой предполагается опускание участков карстующихся пород по разрывам (грабеновые полья) или их синклинальный прогиб (синклинальные полья), а также провальная гипотеза — обрушение поверхности над подземными речными долинами. В последнем случае полья представляют собой узкие продолговатые впадины. В образовании некоторых польев участвуют несколько процессов. Помимо указанных выше поверхностных форм в карстовых областях существует множество других замкнутых понижений, рвов, представляющих собой расширенные карстовым процессом трещины, а также сухих русел, логов, оврагов, «слепых» долин (не имеющих устья, замкнутых), на дне которых также могут быть развиты воронки. Чем больше мощность карстующихся пород и ниже расположен горизонт грунтовых вод, тем глубже указанные выше формы. Характерны исчезающие реки, вода которых уходит в карстовые полости, периодически действующие озера и др. В горах и предгорьях карстовые долины имеют форму узких и глубоких каньонов и также без поверхностного стока. Все эти формы образуются из-за того, что поверхностный сток воды поглощается, уходит в трещины и в подземные полости. Часто возникают карстовые источники, в том числе восходящие, «бьющие» на дне озер или в прибрежной части моря. У выходов на поверхность углекислых источников в результате осаждения карбоната кальция образуются известковые туфы.
Поземные формы. К ним относятся формы, расположенные ниже земной поверхности. Наиболее простыми являются небольшие полости, размер которых — около 0,3 м. Более крупные — колодцы, шахты и пропасти — имеют трубообразную форму (рис. 11.6).
По классификации Г. А. Максимовича, колодцы и шахты имеют диаметр более 1 м, при этом глубина первых — до 20 м, а вторых — более 20 м. Диаметр пропастей — более 10 м, а глубина достигает сотен метров и более. И колодцы и шахты обычно приурочены к крупным трещинам или разрывам и связаны с подземными формами — пещерами.
Пещеры — подземные полости внутри массива пород. Они образуются в различных по составу породах: известняках, гипсах, солях в местах их повышенной трещиноватости. В образовании пещер участвуют не только коррозия, но и эрозионные (подземные реки), тектонические (трещиноватость), а на морских берегах и абразионные процессы (разрушение и растворение пород морской водой). Размеры и форма пещер различны, при этом они горизонтальны, вертикальны или наклонны. Многие из них состоят из сложной системы лабиринтов. Наиболее крупные пещеры достигают в длину десятков километров, а длина всех ходов самой крупной пещеры — Мамонтовой в Северной Америке — превышает 500 километров. Самые глубокие пещеры-пропасти — Мирольда во Французских
Пиренеях и Крубер-Воронья на Кавказе в Грузии — опущены соответственно до -1733 м и -1710 м. В крупных пещерах текут подземные реки, существуют водопады, озера, заполненные водой галереи, называемые сифонами. Пещеры часто образуются в зоне горизонтальной циркуляции подземных вод и в зоне полного насыщения, в которой каналы и полости заполнены подземными водами. Однако уровень подземных вод с течением времени понижается. Причиной этого является поднятие территории, горного массива или понижение базиса эрозии — уровня реки, озера или моря. С новым положением уровня подземных вод связана выработка нового, более низкого, этажа пещеры, а прежний, более высокий, осушается. Поэтому многие глубокие пещеры имеют этажное строение, т. е. расположение систем ходов, галерей на разных высотных уровнях. Таким образом, с каждым этапом врезания реки или тектонического поднятия связана своя система пещерных ходов и галерей. Фактически этажи пещер привязаны к террасовым уровням. (Это относится к пещерам, дно которых не опускается ниже базиса.) На основании этого часто определяется и возраст пещер. В пещерах образуются натечные формы из кальцита, гипса или
соли: сталактиты, свисающие сверху, растущие им навстречу снизу сталагмиты. При их соединении образуются колонны (рис. 11.7). Все эти формы возникают тогда, когда уровень подземных вод понизился, и пещера осушена. Натечные формы формируются в течение длительного времени, часто десятков и сотен тысяч лет. Помимо натечных образований в пещерах встречаются гравитационные (обвальные) образования, аллювиальные отложения подземных рек, органогенные отложения, представленные гуано (исп. guano) — пометом летучих мышей — и мумие. Пещеры более характерны для гор, хотя и в равнинных областях известно множество пещер, но они сравнительно неглубоки. На равнинах пещеры развиты, главным образом, на возвышенных участках. Из Крымских пещер наиболее известна Красная на Долгоруковской яйле, развитая в верхнеюрских известняках, а на Кавказе — Новоафонская, развитая в известняках верхней юры и нижнего мела. В Предуралье находится Кунгурская пещера, выработанная в нижнепермских гипсах и ангидритах. Пещеры интересны в связи с находками в них остатков жизнедеятельности древнего человека — костей животных и птиц, употреблявшихся в пищу, примитивных орудий труда, настенных рисунков. Все эти предметы используются для определения относительного и абсолютного возраста пещер.
Влияние климата на образование карстового рельефа.
Карстовые формы развиваются практически в любых климатических условиях. Этому способствуют процессы выветривания, разрушающие породы во всех климатических зонах. Даже в холодных областях в условиях существования постоянной мерзлоты, где вода находится в незамерзшем состоянии всего 3-4 месяца, развиты поверхностные и подземные карстовые формы. Мерзлота замедляет карстообразование, но не исключает его. Поверхностные формы (воронки, котловины) здесь связаны с надмерзлотными водами, а подземные — с глубинными межмерзлотными и подмерзлотными. В холодных областях активную роль играет пленочная вода, облекающая частицы породы и не замерзающая зимой. Эта вода находится в движении, она растворяет породы и расширяет поры и трещины, ее агрессивное действие объясняется большим количеством углекислоты, способной растворяться в холодной воде. Карст активизирует циркуляцию подземных вод, что вызывает местную деградацию мерзлоты и развитие термокарстовых воронок. Областью развития карстового рельефа в условиях постоянной мерзлоты является Восточная Сибирь, где развит преимущественно покрытый карст. В умеренном поясе воронки и котловины задерновываются, зарастают растительностью, лесом
Такой карст относится к задернованному типу. Он характерен для Кавказа, северных районов Восточно-Европейской платформы (Сев. Двина, Кулойское плато и др.). Неблагоприятные условия для современного карстообразования характерны для аридных районов, поскольку здесь мало воды, в том числе подземной, и нет растительности — источника углекислоты. Об этом свидетельствует отсутствие натечных образований в пещерах. Имеющиеся в некоторых пустынных и полупустынных районах (плато Устюрт, п-ов Мангышлак на восточном побережье Каспийского моря и др.) поверхностные и подземные карстовые формы образовались в более влажных условиях, существовавших в неогене и в отдельные эпохи четвертичного периода. В образовании некоторых впадин, дно которых находится ниже нуля (Сарыкамышская, Кара-Гие и др.) участвовала и карстовая денудация. Современное развитие карстовых форм в аридных областях наблюдается преимущественно на побережьях морей, где активным фактором является морская вода, содержащая соли. Под действием агрессивной морской воды в береговых обрывах развиты лунковые карры, ниши, котлы, гроты, пещеры (побережье Каспийского моря и др.). Теплый и влажный климат тропических и экваториальных областей благоприятствует образованию и развитию карстового рельефа. Здесь много воды, и хотя в теплых условиях углекислота удаляется из воды, однако количество ее постоянно возобновляется растительностью.
Поэтому карстовые формы всех типов развиты очень широко. Вместе с тем здесь
развиты своеобразные останцовые формы: башенные, столбчатые, куполообразные, конические, грибообразные, столообразные (рис. 11.9) и др., между которыми расположены замкнутые впадины — котловины, полья. Такого типа останцы на Кубе называются «моготе». Во Вьетнаме они затоплены морем и образуют скалистые острова причудливой формы. В большинстве случаев останцовый карст является древним, длительно развивающимся с миоцена или плиоцена.Климатическая зональность в развитии карстовых форм наблюдается и в горах. Так, в предгорьях Кавказа в аридных условиях карстовый рельеф развивается медленнее, и формы меньше, по сравнению с более высокими и влажными высокогорьями.
Карст и тектоника. Карстовые формы наиболее интенсивно развиты в областях новейших поднятий — горах. Здесь и карры, и воронки, и пещеры глубже и резче выражены. Это объясняется тем, что в горах, по сравнению с платформенными областями, больше мощность карстующихся пород, выше степень их трещиноватости и раздробленности, связанная с разрывными нарушениями, больше амплитуды рельефа. Все это способствует более глубокому проникновению поверхностной воды в породу, энергичной вертикальной циркуляции. По трещинам и разрывам развиваются воронки, колодцы, шахты. Ориентировка пещер, карстовых долин и других форм часто является согласной с крупными разломами. Сильные сейсмические сотрясения вызывают провалы над подземными полостями, разрывы галерей в пещерах, обрушение в них сводов. По тектоническим трещинам происходит и восходящий поток напорных подземных вод тогда карст развивается в направлении снизу вверх. Развивающиеся при этом карстовые формы могут не проявляться на поверхности или вызывать обрушение вышележащих пород. Благоприятными условиями развития карста являются наклонное залегание пластов, при котором на поверхность выходят различно растворимые породы, и циркуляция подземных вод может идти не только по трещинам, но и по плоскостям напластования. От характера залегания пород зависит форма воронок. Например, на Крымских яйлах характерны асимметричные воронки, у которых пологий склон совпадает с поверхностью пласта (см. рис. 11.5 а). На равнинах районы развития карстовых форм часто приурочены к сводам положительных структур, выраженных в рельефе возвышенностями и валами, для которых характерны повышенная трещиноватость пород, а мощность перекрывающих некарстующихся пород уменьшена, или они отсутствуют. Так карст широко развит в пределах Токмовского, Башкирского, Пермского, Ромашкинского сводов на востоке Восточно-Европейской платформы, на Жигулевском и Окско-Цнинском валах, Воронежской антеклизе (Среднерусской возвышенности) и на многих других подобных структурах. В то же время в некоторых аридных районах (плато Устюрт и др.) воронки, котловины, наоборот, развиты в синклиналях, т. к. здесь скапливается вода. И почти повсеместно воронки маркируют разрывные нарушения.
Заключение. Цикл образования и развития карстового рельефа, по сравнению с другими типами рельефа, сложный и длительный, идущий в изменяющихся климатических условиях (например, при чередовании холодных и теплых эпох) и охватывающий сотни тысяч и миллионы лет. Так, в Горном Крыму на плато первой гряды развитие карбонатного карста началось, по всей вероятности, после регрессии сарматского моря в позднем миоцене и продолжается и в настоящее время. Карст на Кубе стал развиваться с плиоцена (Н. А. Гвоздецкий). Развитие карстового рельефа начинается с простейших форм — карров (стадия юности). В стадию зрелости широко развиты как поверхностные формы (воронки, котловины, рвы, суходолы и др.), так и подземные (пещеры). Заканчивается цикл (стадия старости) образованием польев, когда достигнута кровля некарстующихся пород и только возвышаются отдельные останцы, оставшиеся воронки заполнены различными отложениями. На протяжении цикла из-за изменяющегося положения базиса эрозии образование карстовых форм то активизируется, то замедляется. Во многих карстовых районах одновременно присутствуют формы, относящиеся и к начальной, и зрелой стадиям развития карста. Стадия старости с преобладанием останцового рельефа характерна, по всей вероятности, для тропического карста Кубы, Южного Китая, Вьетнама и некоторых других районов. Карстовые процессы ведут к денудации земной поверхности и к общему ее снижению. Скорость химической денудации различна в зависимости от климатических и структурных условий (количества воды, высоты местности и др.). В Крыму, по данным М. Пулины, она составляет 21,8 мм/1000 лет, на Кавказе — в 10 раз больше. Во влажных тропических областях (Куба, Ямайка и др.) она составляет, по данным Д. И. Смита, около 100 мм/1000 лет. И здесь по высоте останцов можно предположить, что в результате карстовой денудации поверхность понизилась более чем на 100 м. В северных районах скорость карстовой денудации снижена. Большая часть продуктов разрушения выносится в растворенном виде, и лишь незначительная их часть накапливается. К ним относятся нерастворенные остаточные продукты химического растворения и выщелачивания карбонатных пород, представляющие собой элювиальные глины, обычно красно-бурого цвета из-за содержания окисей и гидроокисей железа и алюминия, с мелкими обломками известняков (terra rossa от итал. terra — земля и rossa — красная). Помимо элювия с карстом связаны натечные образования, а также гравитационные, аллювиальные, озерные отложения и отложения карстовых источников.Полезные ископаемые, связанные с карстом, указаны в начале главы.
