Карстовые пещеры
Растворение (выщелачивание) некоторых горных пород вызывает целый ряд явлений, которые называются карстовыми или, одним словом, карст. Эти явления впервые были изучены на известковом плато Карст в Югославии. Они встречаются там, где распространены растворимые породы: каменная соль, гипс, мел, известняки, доломиты. Поверхностные и подземные воды выщелачивают в них большие и малые полости, имеющие нередко причудливые формы, образующие пещеры, провалы, гроты.
Когда рушится кровля над карстовыми пустотами или выщелачиваются породы, залегающие с поверхности, возникают своеобразные формы рельефа-карстовые. Из них наиболее распространены воронки различных размеров и форм, котловины и провалы; кар-ры - углубления, канавы, щели, борозды, прорезающие земную поверхность.
Под влиянием карста происходит немало удивительных явлений: пропадают (в буквальном смысле проваливаются под землю) реки, ручьи, озера; некоторые реки внезапно «выныривают» на поверхность; на морском дне из карстовых полостей изливаются пресные воды. Предполагают, что некоторые легенды о внезапно исчезающих городах (скажем, о невидимом граде Китеже) возникли под впечатлением карстовых провалов, в которые обрушивались строения. Подобные явления нередки в районах, где развит карст.
Изучение карста связано прежде всего с практическими нуждами: строительством городов и отдельных сооружений, эксплуатацией железных дорог и т. д. Карстовые провалы, например, неоднократно происходили близ полотна железной дороги на линии Москва- Горький. Одна из воронок имела диаметр 50 м. На ее засыпку потребовалось 15 вагонов грунта. Еще больше неприятностей доставляют карстовые провалы в городах. Известны случаи, когда дома проваливались в карстовые полости, а целые кварталы разрушались. Так, в Йоханнесбурге (ЮАР) в конце 1962 г. исчез под землей, в провале, целый завод, а позже - жилой дом. По-видимому, эти провалы возникли в результате крупных откачек подземных вод. Нарушилась устойчивость в карстовых полостях, в доломитах и известняках, залегающих под городом.
В карстовых районах очень непросто проводить гидротехническое строительство.
Несмотря на это, в карстовых районах ведется строительство. Так, Павловская гидроэлектростанция на реке Уфе, Каховская на Днепре и многие другие плотины находятся в местах, где развит карст. Но тут еще до начала строительства поработали географы и геологи, изучившие карст и подсказавшие меры борьбы с ним. Ведь, несмотря на все «коварство» карста, с ним можно успешно бороться. Скажем, нагнетать по скважинам цемент в подземные пустоты или «залечивать» воронки грунтом.
Карст очень осложняет подземные работы: проходку шахт, штолен, тоннелей. Нередко в карстовых пустотах текут подземные ручьи и реки, находятся подземные озера. Но под землей карст может стать и помощником человека: по карстовым пещерам спелеологам (исследователям пещер) удается проникнуть на сотни метров в глубины гор.
Карстовые пещеры - замечательные создания природы. Причудливые лабиринты, галереи; величественные гроты и «бездонные» пропасти; каменные «сосульки» сталактитов и сталагмитовые колонны; бурные потоки, водопады и тишайшие озера; особый животный мир и хрупкие кристаллические образования - все это встречается в карстовых пещерах. Некоторые из них очень велики. В Среднем Приднестровье длина Озерной пещеры - 21,6 км, а Главной (Кристальной)-18,8 км. Знаменитая Кунгурская пещера в Предуралье имеет длину 4,6 км; в ней находится более 30 озер. Самая большая пещера-Мамонтова (США, штат Кентукки); суммарная длина всех ее ответвлений-240 км. Много пещер на Кавказе, в Крыму. Летом 1979 г. советские спелеологи, исследовавшие кавказскую пещеру Снежную, опустились на глубину 1190 м. Глубочайший в мире карстовый провал - пещера Пьер-Сен-Мартен во Франции (1332 м).
Карст бывает древний и современный. В долине Волги, на Самарской Луке, можно видеть карстовые формы, образовавшиеся более 150 млн. лет назад. Это древний карст. Современные карстовые процессы имеют разную интенсивность. И все-таки скорость их, в общем, не очень велика. За годы и десятилетия не может образоваться крупная карстовая полость, или карры. Так что возраст большинства современных карстовых форм - многие тысячи, а то и миллионы лет.
Для образования карста еще недостаточно присутствия растворимых пород. Большое значение имеют глубина залегания подземных вод (чем ниже их уровень, тем глубже карстовые формы), химический состав поверхностных и подземных вод, рельеф, климат, а также деятельность человека (горные работы, строительство, гидротехнические сооружения и пр.). Поэтому очень непросто изучать карст, его Причины, особенности и методы борьбы с ним.
Карст встречается во многих обширных районах нашей страны: на Среднерусской и Приволжской возвышенностях, в бассейне Оки, Клязьмы, верховьях Днепра и Дона, на Волынской возвышенности, в Прибалтике, на О него-Двинском водоразделе, в северной части Белоруссии, в Предкарпатье и Закарпатье, в Крыму и на Кавказе, в Прикаспийской низменности, на Урале и в Предуралье. Распространен карст также в Восточной Сибири, в Западном Прибайкалье, в Приморье и Приамурье, в Казахстане и Средней Азии. Наиболее детально он изучен в европейской части страны. Однако и здесь во многих районах он исследован еще недостаточно хорошо.
О существовании карста в данной местности юный краевед может узнать по рассказам местных жителей и специалистов, а также по формам рельефа, пещерам и т. д.
Карст можно обнаружить по характерным формам рельефа (карры, воронки); по исчезающим ручьям и речкам; по участкам, где уменьшается или резко возрастает количество воды в реке; по крупным источникам подземных вод. В больших карстовых понижениях и закарстованных оврагах нередки сильно заросшие небольшие воронки, которые непросто заметить. Однако следует помнить, что именно такие очаги густой растительности свидетельствуют о существовании здесь провалов.
Обследовать карстовые формы рельефа надо очень осторожно, помня о возможной встрече с глубокими карстовыми колодцами, провалами; нельзя действовать в одиночку, без участия опытных старших товарищей, учителей. Следует ограничиться осмотром и обмером карстовых форм рельефа с поверхности (не спускаясь в провалы, пещеры). Проведите глазомерную съемку участков их распространения, нанесите эти участки на мелкомасштабные карты и схемы. Особое внимание надо обращать на повреждения дорог, отдельных сооружений в связи с проявлениями карста. Очень опасны карстовые пещеры: в них легко заблудиться; вдобавок в них нередко встречаются глубокие карстовые колодцы, пропасти.
Источник: yunc.org
Как образуются карстовые пещеры? Сталактиты и сталагмиты — что это такое? Основная порода крымских гор — известняк. Пронизанные трещинами скалы легко вбирают влагу. Сквозь них протекает вглубь горы дождевая и талая вода с растворенным углекислым газом. Это очень слабая угольная кислота взаимодействует с известняком (карбонатом кальция) переводит его в растворимое состояние (гидрокарбонат кальция), долгими тысячелетиями промывает и протачивает себе русло. Так образуется растущая обводненная пещера. Со временем подземная река может найти новую трещину и спустится ещё на один, на два, на три, а то и на все шесть этажей, как в Кизил-Кобе (Красных пещерах). Нижние «мокрые» пещеры продолжают расти, верхние сохраняют принятую форму.
Этапы образования карстовых пещер
- Дождевая и талая вода просачивается по капиллярам сквозь почву с горными породами, вбирает в себя углекислый газ. Мелкие ручейки по трещинам собираются в подземную речку.
- Вода (слабая угольная кислота) продолжает промывать себе русло. Известняк переходит в растворимое состояние и вымывается из скал, делая воду жесткой.
- В середине пещеры вода уходит в трещину, начинает создавать себе другое русло. В покинутой пещере (уже свободной от реки) растут сталактиты.
- Река промывает совсем новое русло. В пещере вырастают большие сталактиты.
Как образуются сталактиты?
Со сводов пещер капает жесткая вода. Это и преобразованные в каменных породах осадки, которые просочились с поверхности земли сквозь «крышу», и собственный пещерный конденсат. На поверхности камня проходит обратная реакция. Растворенный в воде гидрокарбонат кальция снова превращается в карбонат, отдавая углекислый газ. В быту подобный процесс ведёт к появлению налёта на ванных, накипи в кастрюлях и радиаторах.
Вначале на скале появляется колечко, затем растущая трубочка. Пока отверстие не засорилось, вода капает из него, и постепенно вырастает острая прямая каменная сосулька — сталактит . Если водоток хороший, если нет соседних каплей, сталактит будет одиночным и может вырасти большим. Там, где столетиями идёт постоянный дождик, нарастает целый лес сталактитов, обычно разной длины и толщины, иногда и разной окраски. Если капель совсем мелкая, могут появиться густые заросли «соломки» длиной более метра и толщиной в несколько миллиметров, прозрачной, сияющей в свете фонаря, словно изысканная подземная люстра.
Что такое сезонные кольца сталактитов?
Внешне они похожи на годичные кольца древесины. По ним тоже можно определить возраст, погодные условия во времена, отдаленные от нас на тысячи и даже на миллионы лет. Для этого определяют изотопный и химический состав нужного «кольца». Важно не ошибиться, Ведь колец так много!
Современный ионный масс-спектрометр позволяет отбирать пробы из слоев толщиной в одну сотую миллиметра — это соответствует точности анализа в один год.
Долго ли растут сталактиты?
Скорость роста пещерных сталактитов бывает очень разной. Это зависит от количества и состава стекающей с «потолка» воды, от температуры и влажности воздуха в пещере. Трудно даже говорить о каких-то средних величинах. В одних пещерах метровые сталактиты вырастают за тысячу лет, в других — за пять тысяч лет. Но в любом случае обломанная «каменная сосулька» — невосполнимый ущерб природе. След морального преступления — вроде убийства животного ради забавы.
Сталагмиты, сталагнаты и другие натечные образования
Какой ещё формы бывают натёчные образования в пещерах? В том месте, куда падает капля, сначала появляется пятнышко, затем бугорок из нерастворимых солей (в основном всё того же углекислого кальция). Бугорок растёт, превращается в каменный пенек — иногда заострённый, но чаще плоский или закругленный беспорядочным разбрызгиванием жесткой воды. Так образуется сталагмит . Обычно он крупнее, толще и крепче сталактита, потому что вода стекает по его стенкам и весь освободившийся карбонат идёт на строительство. И ещё потому, что сталактит рано или поздно обрывается под собственной тяжестью, а сталагмит — никогда.
Если движение воды не нарушено, сталактит срастается со сталагмитом. Образуется прочнейшая подземная колонна — сталагнат. Отныне ей не угрожает уже ничто, кроме землетрясений, поэтому сталагнаты могут разрастаться до гигантских размеров.
Стекая по наклонным сводам пещеры, жесткая вода оставляет за собой не пятнышки, а полоски карбоната кальция. Эти полоски растут в толщину и со временем превращаются в тонкие плоские паруса . Они бывают ровными и волнистыми, как края скатерти, могут покрыть всю стену до земли, а могут остаться в форме чебуреков, образовав «карниз» или «люстру», и дальше расти уже как обычные сталактиты. Всё зависит от движения прихотливой, своенравной, «ленивой» водяной капли, которая всегда выбирает себе путь самый лёгкий и самый выгодный. Обычно гребешки позванивают, если постучать по ним палочкой, поэтому обросшие гребешками стены называют ксилофонами или органами .
Самые интересные и необычные из карстовых натёков — геликтиты , или эксцентрики . Начиная расти как сталактиты, они странно и причудливо изгибаются. Иногда это бывают сталактиты второго порядка, они вырастают как ветви на стволе дерева. Почему же сталактиты начинают расти в стороны, словно друзы кристаллов, или даже закручиваются в спираль, превращаясь в геликтиты? Наука не даёт точного ответа. Механика и химизм роста геликтитов — явления пограничные между двумя формами: натёчной и кристаллической. Найдены геликтиты в пещерах «200 лет Симферополю», Нижний Баир.
Геликтиты образуются в местах, где воздух неподвижен; там переходит в твёрдое состояние всё тот же гидрокарбонат кальция, растворенный не в капающей со сводов воде, а во влаге воздуха.
Подземные водопады тоже оставляют после себя следы известняка. Он нарастает плотным природным слоем и останется украшением на десятки и сотни тысяч лет. Даже после того, как непутевая речка покинет верхние этажи пещеры, мы видим застывшие каменные водопады …
Капели и ручейки натекают в ванночки, по краям которых нарастает известняковый валик — гуровая плотина . В гуровых ванночках идёт своя жизнь: растут каменные «кувшинки» и «лотосы» с округлыми «бутонами» и лежащими в воде плоскими «листьями».
В некоторых ванночках созревает пещерный жемчуг . Это не драгоценный камень, но состав морских и пещерных жемчужин один и тот же. Принято считать, что упавшая в ванночку песчинка вращается водным потоком и постепенно обволакивается известняком (который в чистом виде прозрачен, как стекло). Но жемчужины образуются и в совсем тихих заводях…
Влажную, мягкую, бесформенную массу белого цвета, иногда с голубоватым оттенком, назвали лунным молоком . Это всё тот же углекислый кальций. Лунное молоко по-своему украшает пещеры, а высохшее, оно рассыпается при нажиме в тонкий порошок. Как образуется лунное молоко, истинная тайна карстовых пещер, — о том высказывают лишь маловразумительные предположения. Ничто в природе, кроме кальцита, не существует в таком состоянии. Лунное молоко бывает сухим и мокрым, жидким и плотным, вязким и текучим. В действительности это вещество ни твёрдое, ни жидкое, оно вообще непонятно какое… Ученые обходят эту тему, оставляя любителям экзотики чистое поле для размышлений и фантазии.
Арагонитовые кристаллы
Когда уходит вода, рост пещеры прекращается, но её внутреннее убранство продолжает обогащаться новыми украшениями. Влажность воздуха в глубоких каменных полостях приближается к 100%. Водяные пары насыщены ионами гидрокарбоната кальция, и на камнях (чаще вдоль трещин) вырастают кристаллы.
Причудливость, прихотливость фигур аэрозольной кристаллизации несравнима ни с какими натеками: созданные по законам микромира, они зависят от состава и концентрации ионов, от путей перемещения молекул воды, от правил построения кристаллических решеток со всеми их дополнениями и отклонениями. Арагонит — это твёрдая разновидность кальцита. Он образуется при достаточно низких температурах, чаще всего под землёй — в пещерах, рудных месторождениях, в холодных источниках.
В пещерах можно обнаружить мельчайшие кристаллы арагонита. Когда их много, они светятся в луче фонаря, словно небесные звёздочки. Иногда нарастают крупные остроугольные кристаллы, а рядом — мелкие, собранные в «веточки», в «пушинки», в «снежинки». Это могут быть остроиглые «ёжики», различных оттенков «процветшие» сталактиты, отдельные и собранные в соцветия «пещерные цветы» разной окраски и невообразимой формы.
Самые интересные и разнообразные подземные украшения вырастают в результате комбинированного действия жидкой воды и насыщенного ионами аэрозоля. Изящные антропоморфные статуэтки, зверушки, «волосатые Аго», «медузы» с бахромой «щупалец» по краям, «актинии»… Словом, готовь фотоаппарат, раскрывай блокнот, фантазируй! Но всё будет бедно, всё не то: мы простые смертные, а пещеры созданы её величеством Природой. Неравноценно.
Московский Государственный Институт Стали и Сплавов
Выксунский Филиал
(Технологический университет)
Реферат по предмету
кристаллофизика
На тему: «Образование пещер и карстов»
Студент: Пичугин А.А..
Группы:МО-07 (МЧМ)
Преподаватель:Лопатин Д.В.
Москва 2008
I. Общие сведения о пещерах и карстов
II. Гипотеза о происхождении карстовых районов
III. Условия образования пещер
IV. Типы пещер:
1. Карстовые пещеры
2. Тектонические пещеры
3. Эрозионные пещеры
4. Ледниковые пещеры
5. Лавовая пещера
V. Пещеры на территории Прибайкалья
VI. Пещера Кызылъяровская им. Г.А. Максимовича.
Общие сведения о пещерах и карстов
Карст (от нем. Karst, по названию известнякового альпийского плато Крас в Словении), - совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью).
Наиболее характерны для карста отрицательные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяются следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карстовые овраги, долины, полья, карстовые пещеры, подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимы следующие условия: а) наличие ровной или слабо наклонной поверхности, чтобы вода могла застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам; б) толща карстующихся пород должна иметь значительную мощность; в) уровень подземных вод должен стоять низко, чтобы было достаточное пространство для вертикального движения подземных вод.
По глубине уровня подземных вод различают карст глубокий и мелкий. Различают также «голый», или средиземноморский карст, у которого карстовые формы рельефа лишены почвенного и растительного покрова (например, Горный Крым), и «покрытый» или среднеевропейский карст, на поверхности которого сохраняется кора выветривания и развит почвенный и растительный покров.
Карст характеризуется комплексом поверхностных (воронки, карры, желоба, котловины, каверны и др.) и подземных (карстовые пещеры, галереи, полости, ходы) форм рельефа. Переходные между поверхностными и подземными формами - неглубокие (до 20 м) карстовые колодцы, естественные туннели, шахты или провалы. Карстовые воронки или иные элементы поверхностного карста, через которые в карстовую систему уходят поверхностные воды, называются поноры.
КАРСТ, известняковые плато - комплекс неровностей, выпуклых выходов горных пород, впадин, пещер, исчезнувших потоков и подземных стоков. Возникает в растворимых водой и выветриваемых горных породах. Процесс типичен для известняка, а также для тех мест, где вымываются горные породы. Много рек находится под землей, там же существует много пещер и крупных каверн. Самые крупные пещеры могут разрушиться и образовать ущелье или теснину. Постепенно весь известняк может быть вымыт. Явление названо по названию плато «Карст» в бывшей Югославии. Характерные карстовые системы широко представлены в Крымских горах и на Урале.
Карст можно наблюдать в Западных Альпах, в Аппалачах (США) и на юге Китая потому, что пласты известняковых пород, сначала состоявшие из слоя кальцита (углекислого кальция), толщиной до 200 м, который был частично размыт водой. Углекислый газ из атмосферы растворялся в дожде и способствовал образованию слабой угольной кислоты, которая в свою очередь способствовала размыванию гор ных пород, особенно вдоль линий кливажа и пластов, увеличивая их до образования карстовых пещер, долин, возникших вследствие обрушения стенок пещер, которые при дальнейшем развитии процесса могут превратиться в ущелья, и, наконец, остаются характерные для карстового ландшафта останцы известняка, не подвергшегося эрозии.
Пещера - естественная полость в верхней толще земной коры, сообщающаяся с поверхностью земли одним или несколькими выходными отверстиями, проходимыми для человека. Наиболее крупные пещеры - сложные системы проходов и залов, нередко суммарной протяженностью до нескольких десятков километров. Пещеры - объект изучения спелеологии.
Можно разделить пещеры по их происхождению на пять групп. Это тектонические пещеры, эрозионные пещеры, ледовые пещеры, вулканические пещеры, и, наконец, самая большая группа, карстовые пещеры. Пещеры, в привходовой части, при подходящих морфологии (горизонтальный просторный вход) и расположении (близко к воде) использовались древними людьми в качестве удобных жилищ.
ГИПОТЕЗА О ПРОИСХОЖДЕНИИ КАРСТОВЫХ РАЙОНОВ
А именно, есть гипотеза, что:
В древние времена 300-400 млн лет назад в морской воде происходил процесс разрастания и отмирания живых организмов, интенсивно использующих для строительства своих оболочек кальций. Вода при этом представляла собой насыщенный раствор углекислого кальция. Отмершие оболочки опускались на дно и накапливались вместе с отложениями, выпадающими в осадок из раствора в результате климатических изменений;
За млн лет на дне пластами накапливалась известняковая масса;
Под давлением известняковый осадок менял структуру, превращаясь в лежащий горизонтальными пластами камень;
В момент подвижек земной коры море отходило, и бывшее дно становилось сушей;
Были возможны два сценария развития событий: 1) пласты оставались почти горизонтальными и неторнутыми (как под Москвой); 2) дно выпячивалось образуя горы, при этом целостность известняковых пластов нарушалась, в них образовывались многочисленные поперечные трещины и разломы. Так образовывался будущий карстовый район.
Эта гипотеза подтверждается находками остатков древних раковин и других бывших живых организмов в толще известняков. Как бы то ни было, очевидно, что пещеры и породы, где они образуются, тесно связаны с древней жизнью на Земле.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕЩЕР
Есть три основных условия образования карстовых пещер:
1. Наличие карстующихся пород.
2. Наличие процессов горообразования, подвижек земной коры в зоне распространения карстующихся пород, в результате - наличие трещин в толще массива.
3. Наличие агрессивных циркулирующих вод.
Без любого из этих условий образование пещер происходить не будет. Однако, на эти необходимые условия могут накладываться локальные особенности климата, строения рельефа, наличия других пород. Все это приводит к появлению пещер различного вида. Даже в одной пещере встречаются различные "составные" элементы, которые образуются по разному. Основные морфологические элементы карстовых пещер и их происхождение.
Морфологические элементы карстовых пещер:
Вертикальные пропасти, щахты и колодцы,
Горизонтально-наклонные пещеры, и меандры,
Лабиринты.
Эти элементы возникают в зависимости от вида нарушений в толще карстующегося массива.
Виды нарушений:
Разломы и сбросы, трещины:
Напластования,
На границе карстующейся и некарстующейся породы,
Тектонические (как правило, поперечные),
Так называемые трещины бокового отпора.
Схема образование вертикальных элементов пещер (колодцев, шахт, пропастей): Выщелачивание.
Колодцы образуются на пересечении тектонических трещин - в самом мехинически слабом месте массива. Туда поглощается вода атмосферных осадков. И медленно растворяет известняк; за миллионы лет вода расширяет трещины, превращая их в колодцы. Это зона вертикальной циркуляции подземных вод
Нивальные колодцы (с поверхности массива):
Зимой трещины забиваются снегом, затем он медленно тает, это - агрессивная вода, она интенсивно размывает и расширяет трещины, образуя колодцы с поверхности земли.
Образование горизонтально-наклонных ходов:
Вода, проникнув сквозь пласт (слой) карстующейся породы доходит до трещины напластования и начинает распространяться по ней вдоль плоскости "падения" пластов. Происходит процесс выщалачивания, образуется субгоризонтальный ход. Потом вода дойдет до очередного пересечения тектонических трещин и снова будет образовываться вертикальный колодец или уступ. Наконец, вода дойдет до границы карстующейся и некарстующейся пород и далее распространяться только вдоль этой границы. Обычно здесь уже течет подземная река, там есть сифоны. Это зона горизонтальной циркуляции подземных вод.
Образование залов.
Залы встречаются в зонах разломов - больших механических нарушениях массива. Залы - результат чередующихся процессов горообразования, выщелачивания, снова горообразования (землетрясения, обвалы).
Бывает, включаются дополнительны механизмы:
Механический вынос обломков породы потоками воды,
Действие напорных термальных вод (Новоафонская пещера).
Образование горизонтальных лабиринтов.
Процесс выщелачивания происходит по "сетке" тектонических трещин. Характерный пример - гипсовые пещеры Западной Украины. Названные механизмы образования элементов структуры (морфологии) пещер являются общими для всех видов карстующихся пород.
В целом можно сказать, что карстовый массив является "ситом" просеивающим осадки и текущие воды. Все карстовые пещеры - и вертикальные и горизонтальные - являются каналами естесвенного дренирования вод в карстовом массиве. Результатом этой циркуляции является непременный выход подземных вод на поверхность - в виде явных или скрытых источников, в том числе, субмаринных.
Типы пещер
Карстовые пещеры
Озеро в карстовой пещере Кризна Яма, Словения.
Натёчные образования в пещере Катерлох, Австрия.Таких пещер большинство. Именно карстовые пещеры имеют наибольшую протяжённость и глубину. Пещеры образуются вследствие растворения пород водой. Поэтому карстовые пещеры встречаются только там, где залегают растворимые породы: известняк, мрамор, доломит, мел, а также гипс и соль.
Известняк, а тем более мрамор, растворяются чистой дистиллированной водой очень плохо. В несколько раз растворимость повышается, если в воде присутствует растворённый углекислый газ (а он всегда растворён в воде, в природе), однако всё равно известняк растворяется слабо, по сравнению, скажем, с гипсом или, тем более, солью. Но оказывается, что это положительно сказывается на образовании протяжённых пещер, поскольку гипсовые и соляные пещеры не только быстро образуются, но и быстро разрушаются.
Огромную роль при образовании пещер играют тектонические трещины и разломы. По картам исследованных пещер очень часто можно видеть, что ходы приурочены к тектоническим нарушениям, которые видны на поверхности. Также, разумеется, для образования пещеры необходимо достаточное количество водных осадков, удачная форма рельефа: осадки с большой площади должны попадать в пещеру, вход в пещеру должен располагаться заметно выше того места, куда разгружаются подземные воды и т. п.
Химизм карстовых процессов таков, что часто вода, растворив породу, через некоторое время откладывает её обратно, образуя т. н. натёчные образования: сталактиты, сталагмиты, геликтиты, драпировки и проч.
Длиннейшая в мире Мамонтова пещера в США заложена в известняках. Она имеет суммарную протяжённость ходов более 500 км. Длиннейшая пещера в гипсах - Оптимистическая, на Украине, протяжённостью более 200 км. Образование таких длинных пещер в гипсах связано с особым расположением пород: пласты гипса, вмещающие пещеру, перекрыты сверху известняками, за счёт чего своды не обрушиваются. Длиннейшая пещера России - пещера Бо́товская, свыше 60 км длиной, заложена в известняке, находится в Иркутской области, бассейн р.Лены. Немного уступает ей Большая Орешная - карстовая пещера в конгломератах в Красноярском крае. Глубочайшие пещеры планеты тоже карстовые: Крубера-Воронья (-2191 м), Снежная (-1753 м) в Абхазии. В России глубже всех пещера Горло Барлога (-900 м) в Карачаево-Черкесии. Все эти рекорды непрерывно меняются, неизменно лишь одно: лидируют карстовые пещеры.
Тектонические пещеры
Такие пещеры могут возникать в любых породах в результате образования тектонических разломов. Как правило, такие пещеры встречаются в бортах глубоко врезанных в плоскогорье речных долин, когда огромные массивы породы откалываются от бортов, образуя трещины отседания (шерлопы). Трещины отседания обычно клином сходятся с глубиной. Чаще всего они заваливаются рыхлыми отложениями с поверхности массива, но иногда образуют довольно глубокие вертикальные пещеры, до 100 м глубиной. Шерлопы широко распространены в Восточной Сибири. Изучены они сравнительно слабо, и, вероятно, встречаются весьма часто.
Эрозионные пещеры
Пещеры, образуемые в нерастворимых породах за счёт механической эрозии, то есть проработанные водой, содержащей крупинки твёрдого материала. Часто такие пещеры образуются на берегу моря под действием прибоя, но они невелики. Однако, возможно образование и пещер, проработанных по первичным тектоническим трещинам уходящими под землю ручьями. Известны довольно крупные (сотни метров длиной) эрозионные пещеры, образованные в песчаниках и даже гранитах.
Ледниковые пещеры
Пещеры, образуемые в теле ледников талой водой. Такие пещеры встречаются на многих ледниках. Талые ледниковые воды поглощаются телом ледника по крупным трещинам или на пересечении трещин, образуя хода иногда проходимые для человека. Характерные длины составляют первые сотни метров, глубины - до 100 м и более. В 1993 г. в Гренландии был обнаружен и исследован гигантский ледниковый колодец «Изортог» глубиной 173 м, приток воды летом в него составлял 30 м³/с и более .
Ледниковая пещера на краю ледника Фолл (Fallbreeen), Шпицберген.Ещё один тип ледниковых пещер - пещеры, образуемые в леднике в месте выхода внутриледниковых и подледниковых вод на краю ледников. Талые воды в таких пещерах могут течь как по ложу ледника, так и по ледниковому льду.
Особый тип ледниковых пещер - пещеры, образуемые в леднике в месте выхода подземных термальных вод. Поскольку вода горячая, она способна проделывать объёмные галереи, однако такие пещеры залегают не в самом леднике, а под ним, поскольку лёд проплавляется снизу. Термальные ледиковые пещеры встречаются в Исландии, Гренландии и достигают значительных размеров.
Лавовая пещера , Гаваи. Вулканические пещеры
Эти пещеры возникают при извержениях вулканов. Поток лавы, остывая, покрывается твёрдой коркой, образуя лавовую трубку, внутри которой по-прежнему течёт расплавленная порода. После того как извержение уже, фактически, закончилось, лава вытекает из трубки с нижнего конца, а внутри трубки остаётся полость. Понятно, что лавовые пещеры залегают на самой поверхности, и часто кровля обваливается. Однако, как оказалось, лавовые пещеры могут достигать очень больших размеров, вплоть до 65.6 км длины и 1100 м глубины (пещера Пещера Казамура, Гавайские острова).
Пещеры на территории Прибайкалья
На территории Прибайкалья пещеры встречаются в различных породах и происхождение их весьма разнообразно.
Одни пещеры произошли в результате очень продолжительного растворения известняка, гипса, доломита, каменной соли и других легко растворяемых пород дождевой или талой снеговой водой, просачивающейся мелкими струйками через трещины в пластах горных пород.
Другие пещеры встречаются в гранитах, песчаниках, траппах, конгломератах и иных твердых породах и образовались вследствие процессов выветривания, резких колебаний температур и других причин.
На территории Прибайкалья наиболее широкое распространение получили пещеры первого вида.
Явления, возникающие благодаря растворению горных пород водой, в географической и геологической литературе принято называть карстовыми. Слово «карст» происходит от названия известнякового плато Карста, расположенного в Восточных Альпах около Адриатического моря, к востоку от города Триеста, где карстовые явления наиболее ярко выражены и раньше всего были изучены.
Основной особенностью карста является проницаемость пород, связанная со способностью их растворяться в воде.
Довольно быстро растворяется в воде гипс. Известняк растворяется медленнее и только в воде, содержащей углекислый газ. Просачивающаяся через трещины известняка дождевая и талая снеговая вода содержит кроме углекислого газа еще органические кислоты, образующиеся в почве при гниении листьев и стеблей. Вода медленно разъедает известняк, расширяя и углубляя трещины в нем.
Так, в течение многих тысячелетии подземные и поверхностные воды своим размывающим и растворяющим действием способствуют образованию воронкообразных углублений, колодцев, провалов и подземных пещер со многими залами и коридорами.
Расположенные глубоко под землей карстовые пещеры часто состоят из нескольких этажей на различных уровнях друг над другом. Коридоры таких пещер, соединенные узкими проходами-лазейками, иногда тянутся на большое расстояние, образуя сложные лабиринты. По некоторым пещерам, повидимому, когда-то протекали подземные реки, имеющие связь с поверхностными водотоками.
Карстовые явления часто наносят большой ущерб народному хозяйству. В результате тщательного изучения карстовых явлений установлено, что основную опасность представляет не столько процесс растворения известняков, который происходит чрезвычайно медленно, сколько созданные в прежние геологические периоды карстовые пустоты, в которые ухолит с поверхности вода. Это вызывает безводье края или резкие колебания уровня грунтовых вод, затрудняет добычу полезных ископаемых и является серьезной помехой при строительстве различных гидросооружений, прокладке железных дорог, изыскании трасс для шоссейных и грунтовых дорог, при проведении лесоэксплуатационных мероприятий и т. д.
В некоторых карстовых пещерах иногда можно видеть известковые натечные образования. С потолка пещеры свисают узкие и длинные сосульки - сталактиты, навстречу им с пола нарастают столбчатые сталагмиты.
Ф. Д. Бублейников так объясняет происхождение сталактитов и сталагмитов: «На поверхности капли, повиснувшей на потолке пещеры, выделяется твердый известковый осадок. Раствор продолжает поступать и, наконец. капля под собственной тяжестью отрывается и падает, оставляя на потолке пещеры кольцеобразный осадок твердого вещества. Так постепенно образуется тоненькая известковая трубочка, внутри которой продолжает стекать просачивающаяся вода. Трубочка обычно скоро заполняется осадком, н притекающий раствор спускается по ее поверхности. Слой за слоем отлагается известь и подобно тому, как весной по краям крыш образуются сосульки льда, с потолка пещеры, медленно нарастая, спускается сталактит. Не успевшая испариться с поверхности сталактита вода падает на дно пещеры, и на этом месте постепенно наращивается известковый столбик - «сталагмит».
Из года в год сталактиты и сталагмиты становятся все толще и длиннее. Нередко можно наблюдать причудливое срастание сталактитов и сталагмитов друг с другом в виде высоких стройных колонн, занавесей, ширм, грибов, статуй и т. п. натечных образований, эффектно украшающих пещеру.
В больших холодных пещерах посетителя поражают непроглядная тьма, глубокая тишина и необычайно причудливые формы сводов и стен, покрытые красиво свисающими гирляндами кристаллов льда и инея, сверкающих бриллиантами. Только изредка тишина пещеры нарушается мелодичными звуками падающих с потолка водяных капель, стуком свалившегося где-то камня или легким порывом ветра, дующего откуда-то издалека.
Пещеры, встречающиеся в гранитах, песчаниках, конгломератах (горная порода, состоящая из сцементированных окатанных валунов и галек различного происхождения и разных размеров), траппах (древняя изверженная горная порода) и других породах, имеют вид небольших открытых ниш, навесов, арок, щелей, иногда далеко уходящих вглубь скал. Такие пещеры и ниши обычно бывают светлыми, сухими и удобными убежищами от дождя и ветра. Наружные отверстия пещер и ниш обыкновенно встречаются на склонах гор, в береговых скалах или на террасах рек и иногда на значительной высоте над рекой или озером.
В многочисленных скалах побережья озера Байкал пещеры а гроты возникли под действием прибоя соли, которые своей огромной разрушительной силой способствовали расширению трещин и пустот в горных породах. Разрушительное действие прибоя увеличивается частыми ударами обломков скал, бросаемых волнами и бьющихся об уступы берега. В создании гротов известную роль играли и процессы выветривания. В некоторых местах от прибоя волн на побережье Байкала образовались высокие арки и ворота. Большой известностью пользуются живописнейшие гроты в бухтах Песчаной, Бабушки, Сенной, в скалах острова Ольхой, на островах Малого моря, в скалах вблизи поселка Коты в 18 километрах к северу от истока р. Ангары. Эти гроты бывают исключительно живописны поздней осенью, когда со стен и потолка гротов красивыми гирляндами свисают ледяные натеки льда.
Пещера Кызылъяровская им. Г.А. Максимовича.
Одна из крупнейших пещер Южного Урала - классический пример лабиринтовых пещер решетчатого типа, самая крупная пещера Урала в докембрийских отложениях, самая протяженная переточная пещера Башкортостана. Входит в состав Южно-уральского заповедника. Расположена в Белорецком районе в 1,2 км к север-северо-востоку от быв. д. Кызылъярово.
Небольшой (0,8х0,4 м) овальный вход в пещеру находится в средней части правого склона долины р. Бол. Инзер на абсолютной отметке 362 м с превышением над руслом реки - 13 м. Заложена в карстовом массиве, образованным U-образной излучиной реки. В его геологическом строении принимают участие известняки миньярской свиты верхнего рифея.
Привходовый коридор заложен по тектонической трещине и ориентирован по аз. 320 град.. Основная лабиринтово-решетчатая часть пещеры представлена системой наклонно-горизонтальных относительно узких и высоких коридоров и галерей, простирающихся по аз. 285-310 град.. Они пересекаются ходами северо-восточного направления. Образование лабиринта связано с системой взаимопересекающихся трещин бортового отпора, развитой во внутренней части излучины реки. При этом наиболее протяженные коридоры лабиринтовой части пещеры параллельны водораздельной линии на излучине, а короткие ходы - ориентированы перпендикулярно ей. Именно образование пещеры в коренной излучине реки по системе взаимопересекающихся трещин и обусловило ее значительные размеры, поскольку на Южном Урале для верхнепротерозойских карбонатных пород крупные (по длине) пещеры вообще не характерны.
Пещера богата разнообразными натечными образованиями. В ней имеются относительно редко встречающиеся в пещерах Южного Урала геликтиты и кальцитовые кристаллы.
Наиболее пониженные части пещеры заняты озерами, имеющими гидравлическую связь с речными водами. Через карстовый массив с пещерой осуществляется переток речных вод с частичной потерей расхода реки на входе в излучину.
Заложение пещеры произошло, по-видимому, в нижнем плейстоцене, а наиболее активное ее формирование происходило в среднечетвертичное время (300-400 тыс. лет тому назад).
Общая протяженность пещеры - 2217 м, площадь пола - 6,8 тыс. кв. м, объем - 30,6 тыс. куб. м, глубина - 13 м, амплитуда - 25 м.
Урал - пещерный край державы и Увельский район Челябинской области не исключение. Увельские карстовые пещеры - это уникальнейшая карстовая территория. Причем Увельский район не горный, а холмистый степной и лесостепной! Здесь порядка 60 пещер и гротов. Некоторые из них "слепые". Карстовые поля (несколько) и более сотни карстовых воронок.
Фото Карстовая воронка среди берез
Некоторые 4-ярусные глубиной до 27 метров. Из письма путешественника XVIII века: "Есть великая опасность попадания кареты или повозки в пещеру ибо она скрыта под снежными завалами и проходит в аккурат с почтовым трактом, который ведет из Троицка в Екатеринбург."
Увельские "степные" карстовые пещеры прячутся в подземелье. Тут много всего карстового: котловины, лога, овраги, поноры, воронки, а внизу - гроты, коридоры и пещеры. В общем вся эта территория насквозь дырявая.
Когда то много миллионов лет назад Урал был дном моря-океана. На дно осаждалась всякая взвесь, прежде всего кальциевая. За миллионы лет набралась толщина метров в сто. Потом море отступило, а его дно открылось и приподнялось. Это и есть Увельский известняк. Сначала он был плотным монолитом, а теперь изъеден вдоль и поперек всякими полостями. Он стал пористым. В нем много пустот, он насквозь дыряв. Тут и там проваливается воронками, логами и впадинами. Вода сделала этот камень известняк, вода его и точит.
Пещера Казачий стан самая крупная в районе, она имеет длину более 200 метров. Непод готовленному туристу ее действительно сложно заметить. Прямо посреди чистого поля, а то и в центре земляничной поляны земные недра вдруг разверзаются под ногами изумленных путников.
Еще недавно между двумя входами в подземный лабиринт был тоннель по которому можно было свободно пройти. Т.е. пещера - это две большие воронки, соедин
енные проходом между собой. К осени это все просыхало и можно было свободно ходить. Но в 2005 году вода не ушла и образовался ледник, который не тает даже летом. Такой вот феномен в пику глобальному потеплению. Ученые объяснения не дают. Толщина льда около метра на входе, а там глубже наверное до трех.
В нескольких километрах от Казачьего стана - Большой и Малый Жемеряк. Это место могло бы стать экспериментальной лабораторией для океанологов. Немного экстрима, спуск по веревке и вы на дне древнего моря. Многочисленные донные отложения, ракушки, раковины, морские обитатели возрастом сотни тысяч лет облепили стены. Окаменелости хорошо сохранились. И аналогов этому явлению трудно найти в России. Пещера время от времени затапливается водой под самый потолок. Пещеры Жемерякского лога известны с 18 века и были описаны еще в 1756 году. Здесь на протяжении века находили убежище раскольники. Остатки сруба сохранились до сих пор в виде отдельных бревен. Найден еще помост для прохода через яму в пещере. Он сколочен старинными гвоздями с квадратным сечением.
Фото В.И.Юрин с юными спелеологами.
Речку Сухарыш в Увельском районе так и называют "карстовая". В нижнем течении Сухарыша 22 пещеры и грота. Наиболее интересны 4 сквозные пещеры. Их открыл известный в Челябинске спелеоархеолог Владимир Юрин. Этот участок реки стали называть Долиной сквозных пещер. Владимир Иванович рассказывал, как шел по левому скальному берегу Сухарыша и увидел сплошные заросли. Перейди на правый берег, он увидел что-то вроде ниши. Пробившись сквозь густые заросли, он обнаружил дыру, которая впоследствии оказалась сквозной пещерой. Когда Юрин протиснулся метров на 6 в пещеру, он услышал непонятный гул. а ведь пещеры обычно молчаливы. Как оказалось, весь потолок был облеплен ковром из мух и комаров. Они прятались там от жары. При дальнейшем исследовании этой пещеры Юрин обнаружил человеческие кости и бусины. Это было захоронение женщины конца раннего железного века. Т.е. 2000 лет назад. Считается, что хоронили в пещерах только знатных людей, это было почетно. Погребальная камера находилась внутри скалы примерно в середине пещеры. Выше ее проход был завален камнями. Высота скалы метров 6 , длина пещеры 25 метров.
Фото Усть-Сухарыжская пещера.
Позднее здесь впервые в пещерах Увельского района нашли кости шерстистого носорога, бизона, дикой лошади. Это уже палеолит 15-20 тысяч лет назад.
На верхнем фото самая крупная карстовая воронка в области. Ее диаметр 54 метра. Глубина 14 метров. В борту скала высотой 7 метров под которой пять погребенных входов. Внутри вертикальный колодец, ведущий в жуткое подземелье. В.Юрин исследовал пещеру, длина ее после расчистки оказалась 110 метров. Причем щель была настолько узкой, что пришлось часов 5 ее долбить чтобы протиснуться. Пещера идет горизонтально, но есть вертикальные колодцы. Где-то есть гроты, где-то пришлось ползти. Воронка - это часть огромной системы. Это мощный карстовый участок от Ключей до Коелги, на юге до Подгорного. Большую часть года воронка сухая. Поток воды возникает весной.
3 фото Карстовая воронка и пещера в районе Подгорного (март 2018)
Мишка там полазил с Юриным. Можно сказать стал спелеологом.
В.Юрин разработал несколько экскурсионных маршрутов "Мир пещер лесостепи" по пещерам и объектам истории и культуры в основном на территории Увельского карстового участка. Турфирмы Челябинска и других городов области водят сюда экскурсии.
Увельский карстовый район уникален. Он привлекает спелеологов, археологов палеонтологов, зоологов и геологов. Здесь на небольшой территории имеем 3 тектонических разлома, различные виды известняка разного цвета органического происхождения очень богатых фауной. По границам этого карстового района залегают различные магматические породы. Зафиксированы почти все виды карста и практически все карстовые формы. Данный район вышел на 4 место в Челябинской области по количеству пещер, гротов и колодцев. Здесь расположены уникальные природные объекты: огромная карстовая воронка (Кайгородова), большие карстовые (пещерные) сухие лога, "долина сквозных пещер", подводная пещера. В.Юрин теоретически рассчитал подземную систему протяженностью 3-6 км.
На небольшой территории сосредоточено много археологических памятников. XVIII - нач. XX века.
Карстовые пещеры – это подземные полости, образовавшиеся и толще земной коры, в районах распространения легкорастворимых карбонатных и галогенных горных пород, подвергаясь выщелачиванию и механическому воздействию, эти породы постепенно разрушаются, что приводит к образованию различных карстовых форм. Среди них наибольший интерес вызывают подземные карстовые формы – пещеры, шахты и колодцы, характеризующиеся иногда весьма сложным строением.
Одним из основных условий образования карстовых пещер является наличие карстующихся горных пород, отличающихся значительным литологическим разнообразием. Среди них выделяются карбонатные породы (известняки, доломиты, писчий мел, мраморы), сульфатные (гипсы, ангидриты) и галоидные (каменная, калийная соли). Карстующиеся породы имеют весьма широкое распространение.
Во многих местах они перекрываются маломощным чехлом песчано-глинистых отложений или непосредственно выходят на поверхность, что благоприятствует активному развитию карстовых процессов и образованию различных карстовых форм. На интенсивность карстообразования значительное влияние оказывает также мощность пород, их химический состав и особенности залегания.
Вода — строитель карстовых пещер
Как уже говорилось, строителем карстовых пещер является вода . Однако чтобы вода могла растворять горные породы, они должны быть водопроницаемы, т. е. трещиноваты. Трещиноватость пород является одним из основных условий развития карста. Если карбонатный или сульфатный массив монолитен и состоит из твердых разностей пород, лишенных трещиноватости, то он не подвергается воздействию карстовых процессов.
Однако такое явление встречается редко, так как известняки, доломиты и гипсы трещиноваты по своей природе. Трещины, рассекающие известняковые массивы, имеют различное происхождение. Выделяют трещины литогенетические, тектонические, механической разгрузки и выветривания . Наиболее распространены тектонические трещины, которые обычно секут различные слои осадочных пород, не преломляясь при переходе из одного слоя в другой и не меняя своей ширины.
Тектоническая трещиноватость отличается развитием сложных взаимно перпендикулярных трещин шириной 1–2 мм. Наибольшей раздробленностью и трещиноватостью горные породы характеризуются в зонах тектонических нарушений.
Выпадая на поверхность карстующегося массива, атмосферные осадки по трещинам различного происхождения проникают в глубь этого массива. Циркулируя по подземным каналам, вода выщелачивает горную породу, постепенно расширяет подземные проходы и образует иногда громадные гроты. Движущаяся вода является третьим обязательным условием развития карстовых процессов.
Без воды, растворяющей и разрушающей горные породы, не было бы карстовых пещер. Вот почему особенности гидрографической сети и своеобразие гидрогеологического режима в значительной мере определяют степень каверзности карстующихся толщ, интенсивность и условия развития подземных полостей.
Дождевые и талые снеговые воды
Основную роль в формировании многих карстовых полостей играют инфильтрационные и инфлюационные дождевые и талые снеговые воды. Такие пещеры – коррозионно-эрозионного происхождения , поскольку разрушение породы происходит как за счет ее химического выщелачивания , так и путем механического размыва. Однако не следует думать, что эти процессы протекают одновременно и непрерывно.
На разных стадиях развития пещер и на разных их участках доминирует обычно один из указанных процессов. Образование некоторых пещер целиком связано или с коррозионными, или с эрозионными процессами. Встречаются также нивально-коррозионные пещеры, своим происхождением обязанные деятельности талых снеговых вод в зоне контакта снежной толщи с карстующейся породой. К ним относятся, например, сравнительно неглубокие (до 70 м) вертикальные полости Крыма и Кавказа.
Многие пещеры возникли в результате обвала кровли над подземными коррозионно-эрозионными пустотами. Некоторые естественные полости образовались путем выщелачивания горных пород восходящими по трещинам артезианскими, минеральными и термальными водами. Таким образом, карстовые пещеры могут иметь коррозионное, коррозионно-эрозионное, эрозионное, нивальнокоррозионное, коррозионно-гравитационное (провальное), гидротермальное и гетерогенное происхождение.
Конденсационные воды
Помимо инфильтрационных, инфлюационных и напорных вод в образовании пещер определенную роль играют также конденсационные воды, которые, собираясь на стенках и потолке пещер, разъедают их, создавая причудливые узоры. В отличие от подземных ручьев конденсационные воды воздействуют на всю поверхность полости, в связи с чем оказывают наибольшее влияние на морфологию пещер.
Особенно благоприятными условиями для конденсации влаги характеризуются небольшие полости, расположенные на значительной глубине от поверхности, поскольку количество конденсационной влаги находится в прямой зависимости от интенсивности воздухообмена и в обратной от объема полости. Наблюдения, проведенные в , показали, что в в течение года конденсируется 3201,6 м3 воды, а в подземных полостях всей главной гряды в 2500 раз больше (т. е. 0,008004 км3). Эти воды отличаются большой агрессивностью.
Жесткость их превышает 6 мг-экв (300 мг/л). Таким образом, за счет инфильтрационных вод пещеры Горного Крыма, как показывают несложные расчеты, увеличиваются по сравнению с общим объемом примерно на 5,3%. Средняя минерализация конденсационных вод около 300 мг/л, следовательно, они выносят в течение года 2401,2 т (8004 106л X 300 мг/л) углекислого кальция.
Суммарный вынос карбоната кальция карстовыми источниками Горного Крыма составляет около 45 000 т/год. Следовательно, роль конденсационных вод в формировании подземных полостей сравнительно невелика, причем воздействие их на горную породу как агента денудации ограничивается в основном теплым периодом.