5.1 Геологические условия развития карста

Влияние геологического строения территории на особенности формирования карстовых ландшафтов исключительно велико. Многие исследователи показали, что, геологическое строение территории, состав и строение горных пород, характер тектоники, гидрогеологические условия и особенности перекрывающих рыхлых отложений играют существенную роль в карстообразовании.

Литологические особенности территории являются одним из основных условий карстообразования, поскольку границы возможного развития карстовых процессов определяются, прежде всего, распространением карстующихся толщ. Литология оказывает влияние на интенсивность карстовых процессов, морфологию и гидрографию карста. С ней в значительной мере связан облик карстовых ландшафтов [2].

Карстующиеся горные породы подразделяются на карбонатные (известняки, доломиты, мергели, писчий мел, мраморы, известковые туфы, травертины), сульфатные (гипсы, ангидриты) и галоидные (каменная соль, сильвинит и другие).

Наиболее широко распространены карбонатные породы. Главные породообразующие минералы карбонатных пород - кальцит, арагонит и доломит. Арагонит не устойчив. С течением времени он переходит в кальцит. Такие минералы, как магнезит, сидерит и особенно анкерит, родохрозит, смитсонит и другие образуют редкие и обычно незначительные скопления [12].

Трещиноватость растворимых горных пород, определяющая их водопроницаемость, - одно из основных условий развития карста.

Для оценки трещиноватости как фактора водопроницаемости горных пород наибольшее значение имеет степень раскрытия и скульптура поверхности (шероховатость) трещин. Степень раскрытия трещин определяется многими факторами, и прежде всего свойствами пород, тектоническими и денудационными процессами. Шероховатость стенок оказывает значительное влияние на движение воды в трещинах, причем это влияние тем больше, чем меньше степень раскрытия трещин. По происхождению различают следующие основные генетические типы трещин: литогенетические, тектонические, трещины разгрузки и выветривания.

Наибольшую роль в водопроницаемости горных пород и развитии карстовых процессов играют тектонические трещины, образующиеся под влиянием тектонических процессов и имеющие повсеместное распространение.

Для развития карстовых процессов важное значение имеют литогенетические трещины, которые образуются в осадочных породах при их усыхании, обезвоживании, уплотнении, в результате физико-химических превращений. Степень раскрытия литогенетических трещин находится в прямой зависимости от мощности пластов, чем объясняется меньшая закарстованность тонкоплитчатых известняков и доломитов по сравнению с толстослоистыми и массивными карбонатными породами. Литогенетические трещины в карбонатных породах обладают большой шероховатостью стенок, что существенно сказывается на их водопроницаемости [3].

В развитии карстовых процессов наибольшую роль играют трещины напластования, раскрытие которых до глубины 100 м и более связано преимущественно с разгрузкой. Вдоль трещин напластования нередко происходит интенсивное выщелачивание карстующихся пород.

Трещины разгрузки образуются при снятии внутренних напряжений, обусловленных сжатием породы, вызываемым большим давлением вышележащих толщ или тектоническими причинами. Разгрузка напряжений определяет также расширение тектонических и литогенетических трещин, что еще больше увеличивает водопроницаемость карстующихся пород. Большую роль в развитии карстовых процессов играют трещины бортового отпора (отседания, скола), развивающиеся параллельно простиранию крутых склонов и достигающие нередко большой глубины.

На поверхности карстующихся массивов широко распространены также трещины выветривания. Нередко они развиваются вдоль тектонических и литогенетических трещин. Частота и характер трещин выветривания зависит от состава и структуры карстующихся пород. Нередко они формируют затейливую сеть разрывов разной густоты, ширины и протяженности. Глубина трещин выветривания может достигать 30-50 м, что способствует проникновению вод в толщу пород и активизации карста.

Существенное влияние на водопроницаемость пород оказывает их пористость, достигающая иногда значительного развития. Пористость и связанная с нею водопроницаемость зависят от состава пород и их генезиса. Различают микропористые, макропористые и кавернозные породы. Среди карстующихся образований наименьшей пористостью отличаются гипсы, ангидриты, каменная соль и хемогенные известняки, а также мраморы, которые в условиях большого давления и высоких температур подверглись перекристаллизации. Низкая пористость сульфатных, галоидных и метаморфических карбонатных пород является одной из основных причин их слабой закарстованности в глубине массивов.

В областях покрытого карста активность процессов выщелачивания карстующихся пород в значительной мере зависит от мощности и состава рыхлых покровных отложений, определяющих условия инфильтрации природных вод. На крутых участках обнаженного мела, лишенных растительности, дождевые и талые снеговые воды быстро стекают вниз по склону или испаряются, не успев просочиться в глубь массива. Это не способствует развитию здесь карстовых процессов. Напротив, в местах распространения почвенного покрова и рыхлых осадочных отложений инфильтрующиеся воды быстро достигают поверхности мела и по трещинам проникают в толщу меловых пород, что активизирует карстовые процессы.

Структурно-тектонические особенности территории оказывают существенное влияние на развитие поверхностных и подземных карстовых форм. Особенности распространения карста в значительной мере предопределены структурно-тектоническими условиями, которые контролируют характер питания, циркуляции и разгрузки подземных вод, а также определяют характер трещиноватости горных пород. Карстовые процессы наибольшее развитие получают в районах антиклинорных структур, где отмечается значительная инфильтрация и инфлюация выпадающих атмосферных осадков и поверхностных потоков. В областях напора артезианских вод, на крыльях положительных структур, где карстующиеся породы нередко перекрыты мощной толщей рыхлых отложений, развиваются преимущественно подземные карстовые формы. Влияние тектонических структур на развитие карста в значительной мере проявляется через трещиноватость горных пород. Наиболее интенсивная тектоническая трещиноватость отмечается в зонах сопряжений крупных положительных и отрицательных структур, на участках локальных платформенных дислокаций, а также солянокупольных поднятий, что благоприятствует широкому развитию здесь карстовых процессов.

Новейшие дифференцированные тектонические движения определяют особенности территориального развития карста. На возвышенных поднимающихся участках интенсивно развиваются эрозионные и карстовые процессы. На тектонически опущенных участках, испытывающих дальнейшее опускание, эрозионные врезы не достигают карстующихся отложений, что ослабляет развитие карста [1].

5.2 Географические условия развития карста

Существенное влияние на развитие и распределение карста оказывают рельеф, климат, растительность и другие природные компоненты, сложное взаимодействие которых определяет своеобразие и интенсивность карстовых процессов.

Установлена зависимость карста от уклонов поверхности и степени расчлененности территории, которые, контролируя характер поверхностного стока и инфильтрации вод, играют важную роль в развитии карстовых процессов.

Крутизна поверхности оказывает значительное влияние на плотность поверхностных карстовых образований и их форму. В районах развития известняков и доломитов поверхностные карстовые формы наиболее широко распространены на слабонаклонных участках (до 5 м), тогда как на участках с уклоном более 10-12 м они обычно отсутствуют. Особенно благоприятные условия для инфильтрации поверхностных вод и развития карста отмечаются на участках с уклоном до 0,04 м. Наклон поверхности оказывает влияние и на обводненность карстовых образований. На плоских участках, в условиях слабого сноса рыхлого материала, который нередко аккумулируется в понижениях рельефа, широко распространены карстовые озера, в то время как на склонах они встречаются значительно реже.

В условиях покрытого карста важную роль в карстообразовании играет расчлененность территории. В сильно размытых и расчлененных районах, где меньше мощность покровных отложений и больше приток талых и дождевых вод с прилегающих водораздельных площадей, создаются наиболее благоприятные условия для развития карста. Этим главным образом и объясняется приуроченность интенсивно закарстованных участков к линейно-вытянутым эрозионным понижениям рельефа (речным долинам, балкам, логам), где размывом в значительной мере удалены рыхлые отложения. Глубина расчленения поверхности определяет глубину зоны активной циркуляции карстовых вод [7].

На плоских междуречьях значительную роль в распределении инфильтрационных вод и развитии карста играют небольшие отрицательные формы рельефа. Особенно велико их значение на участках, где карстующиеся породы прикрыты слабопроницаемыми рыхлыми отложениями. В связи с аккумуляцией в замкнутых понижениях глинистого материала карстовые воронки в пределах выровненных водоразделов нередко заполнены водой или заболочены. В то же время в местах распространения открытых понор карстовые процессы развиваются активно. Следовательно, возникшие карстовые формы создают благоприятные условия для дальнейшего развития карста, поскольку они содействуют повышению инфильтрации и инфлюации в глубь карстующихся массивов дождевых и талых снеговых вод

Климатические условия, и прежде всего количество, особенности распределения и химический состав атмосферных осадков, динамика воздушных течений, характер погоды, температура и состав воздуха оказывают значительное влияние на карст. Роль отдельных элементов климата в карстообразовании различна. С увеличением общего количества осадков скорость карстовой денудации закономерно возрастает, причем степень увеличения ее в высокогорных районах, по сравнению с возвышенными и среднегорными, примерно в два раза выше. Наряду с количеством осадков, важную роль в развитии карста играет также неравномерное распределение их по сезонам года.

На особенности карстообразования оказывает влияние также характер выпадения осадков. С увеличением интенсивности дождя относительная инфильтрация метеорных вод уменьшается. Это определяется в значительной мере изменением диаметра дождевых капель, находящегося в прямой зависимости от интенсивности дождя. В то же время при сильных ливнях, когда выпадает большое количество осадков, нередко промываются закупоренные трещины и поноры в карбонатных и сульфатных породах, в результате создаются благоприятные условия для ухода поверхностных вод через карстовые каналы в глубь карстующегося массива [15].

Растворяющая способность метеорных вод, под воздействием которых развиваются карстовые процессы, зависит, прежде всего, от их химического состава, содержания углекислоты и температуры.

Снежный покров, обладая высокой отражательной способностью, малой тепло- и газопроводностью, оказывает существенно влияние на весь комплекс природных условий зимнего времени умеренном и арктическом поясах. Для карстообразования наибольшее значение имеет высота и продолжительность залегании снежного покрова, от чего в значительной мере зависят степень промерзаемости почвы, особенности накопления влаги и характер погодных условий. За зиму в снежном покрове накапливается большое количество воды. Талые воды во многих карстовых районах являются основным источником питания поверхностных и подземных вод. На активизацию карстовых процессов большое влияние оказывает химический состав содержащейся в снеге влаги, обусловливающий степень агрессивности талых снеговых вод [1].

Влияние температуры воздуха на развитие карстовых процессов весьма сложно. Оно проявляется преимущественно через температурный режим природных вод, условия вегетации, интенсивность биохимических процессов, особенности сезонного промерзания почвенного покрова и т.д.

Влияние ветра на карстообразование изучено слабо. Между тем роль его достаточно велика. Ветер сдувает с поверхности земли и морских акваторий громадное количество карбонатных частиц и разных солей, которые нередко поднимаются в высокие слои тропосферы и переносятся на большие расстояния. Гидрокарбонаты, сернистые, хлористые и другие соединения, попадая в атмосферные осадки, делают их агрессивными.

Поверхностные природные воды, участвующие в выщелачивании карстующихся пород, условно могут быть подразделены наречные, озерные и морские.

На побережьях рек в полосе колебания уровня речных вод нередко образуются провалы, ниши, гроты и карры, связанные с процессами выщелачивания и механического разрушения легко растворимых пород. Образование карстовых провалов на пойме и первой надпойменной террасе чаще всего происходит после спада весеннего половодья, что указывает на важную роль в карстообразовании сезонного колебания речных вод. В районах, где речные воды проникают в карстующуюся толщу, они принимают участие также в формировании подземных карстовых форм. На сильно закарстованных участках речные воды могут полностью поглощаться понорами. Растворяющая способность речных вод, особенно крупных рек, пересекающих иногда разные ландшафтно-географические зоны, на разных участках реки оказывается весьма различной [2].

На берегах озер и водоемов карст распространен в зоне прибоя, где он развивается под воздействием механического разрушения и выщелачивания. Растворяющая способность озерных вод зависит от их углекислотного режима, солевого состава и температуры, которые, в свою очередь, определяются физико-географическими особенностями территории.

Морские воды, хотя и характеризуются низкой карбонатной емкостью, связанной с содержанием в них ионов кальция, понижающих растворимость СаСО₃, играют значительную роль в развитии процессов выщелачивания в районах выхода известняков и доломитов. Это определяется общей недонасыщенностью морских вод карбонатами, наличием в них кроме кальция других ионов, а также углекислоты. Особенно важную роль играет наличие в морской воде хлористого натрия. Карстовые формы на Морских берегах распространены преимущественно в приливно-отливной полосе, где они представлены каррами, нишами и пещерами. Иногда пещеры достигают значительных размеров.

Пространственные закономерности развития карста определяются сложным взаимодействием морфоструктурных и биоклиматических факторов. Ведущую роль в распределении карста играет литологический фактор, а степень его интенсивности связана, главным образом, с соотношением тепла и влаги и обусловленными им ландшафтными особенностями территории. Это указывает на тесную связь распространения и интенсивности карста с физико-географическими комплексами, различающимися структурой, сложностью и степенью обособленности [2].