Механізм і морфоскульптура карстового процесу

Слід зазначити, що карстовий процес, як і будь-який інший екзо­генний процес, який зумовлює міграцію по земній поверхні та у верхніх шарах літосфери речовини, енергії та інформації, складається з трьох етапів: руйнування (тоді вживають терміни «вилуговування», «розкла­дання», «розчинення» тощо), транспортування мінеральних мас у вигляді розчинів, колоїдів і суспензій та акумуляції, тобто осадження або коагуляції мінеральних мас за умов неможливості подальшого пересування по поверхні або у товщах гірських порід.

Як і більшість екзогенних процесів, карстовий має циклічний ха­рактер, проте ця циклічність зумовлюється не тільки зовнішніми чинниками (чергуванням ксеротермічних і плювіальних епох у пев­ному регіоні), а й ритмічністю геологічного (тектонічного) розвитку певної ділянки земної кори. У багатьох випадках ритмічні підняття й опускання земної поверхні спричинюють трансгресії або регресії епі- континентальних морських басейнів, що також зумовлює ритмічний прояв карстових процесів. Останні призводять до видалення маси гірських порід у певному регіоні як з поверхні, так і на глибині. Відповідно до цього розрізняють карст поверхневий («голий», відкри­тий) і підземний (закритий). Кожний із цих різновидів карсту утво­рює специфічний комплекс форм рельєфу. Оскільки відкритий і за­критий карсти переважно взаємодіють між собою, то деякі карстові морфоскульптури важко розрізнити за ознаками їхньої належності до певного різновиду.

Голий карст. Поширений у районах, де в гірських породах можуть відбуватися процеси карстування, виходять на денну поверхню, а кліма­тичні умови регіону не сприяють утворенню кори вивітрювання, яка могла б вкрити їх шаром значної товщини. Відсутність суцільного грунтово-рослинного покриву, виходи безпосередньо на поверхню голих вапнякових порід сприяють утворенню численних схилів, роз­’їдених карровими борознами, або каррами (інша назва — трат­ти), різними за довжиною і глибиною.

Особливо виразними зазначені форми рельєфу є у країнах євро­пейського Середземномор’я. Тут у минулому схили вапнякових гір, імовірно, були вкриті лісами, які згодом но-хижацьки винищили. Стікання опадів з оголених схилів швидко позбавило їх пухкого по­криву, відкривши нічим не захищені вапнякові породи. Численні кар-

рові борозни, які виникли тут упродовж нетривалого часу, активно поглиблювалися і подальше вилуговування відбувалося вже вздовж тріщин, властивих щільним осадовим породам тектонічно актив­них областей (рис. 94). Утворення таких тріщин за допомогою кар­стового процесу мало виразне спрямування вглиб. На перетинах де­яких тріщин (у «вузлах»), де кількість подрібнених порід знач­но більша, процес посилювався і часто призводив до появи верти­кальних каналів (понорів, шахт, колодязів тощо), які з’єднують форми поверхневого карсту з підземними порожнинами. У поверх­невій частині такі канали часто розширюються, набуваючи вигляду лійок (рис. 95).

К арстові лійки з часом стають глибшими та більшими за площею (рис. 96). На території, складеній з поверхні породами, схильними до карстування, зазвичай формується кілька таких лійок. Вони мають

Рис. 94. Різні типи каррів: а — лункові карри; б — трубчасті карри у брилі гіпсу; в — карри у вигляді слідів; г — борозен­часті карри; д — структурні карри (розріз); е — жолобоподібні карри; є — тріщинні карри (на рис. а, б, е для масштабу зображений ком­пас завдовжки 11 см)

рис. 95. Типи від’ємних форм карстового рельєфу: _а - блюдцеподібна западина про­смоктування; б — лійка просмок­тування; в — карстовий колодязь провального походження; І — не­розчинні породи; 2 — розчинні по­роди; 3 — делювіально-пролюві- ально-елювіальні відклади

л інійну протяжність тоді, коли належать до великої тріщини у карстованій по­роді і ніби «нанизані» на деяку вісь або займають пев­ну площу ізометричних об­рисів у плані. Через деякий час лійки, які зазнають роз­ширення і поглиблення, зли­ваються між собою й утворю­ють спільні зниження знач­ної площі, що мають назву «полья».

Оскільки дощові опади у Середземномор’ї часто ма­ють зливовий характер, то відбувається короткочасне потужне змивання продуктів вивітрюван­ня до утворених карстових лійок. Частина змитого елювію нагрома­джується на дні карстових западин і сприяє закупорюванню понор глинистим матеріалом і припиненню карстового процесу на поверхні.

133. 

134. а б

135. Рис. 96. Перетворення колодязеподібного циліндричного провалу (а) на лійко­подібну западину (б) (за І. Щукіним, 1960)

Отже, типовими морфоскульптурами відкритого карсту є каррові борозни, що переважно утворюються внаслідок корозійної і хімічної діяльності води та змивання елювіальних продуктів до карстових знижень, а також самі зниження — лійки, блюдця, полья, доліпи тощо). Западини значних розмірів (понад кілька кілометрів у попе­речнику) зазвичай називають польями (від південнослов’янського роЦе, що тотожне українському слову «поле»), а западини незначних роз­мірів (від кількох до кількасот метрів у поперечнику) у західноєвро­пейській науковій літературі незалежно від їхньої форми називають «долінами».

Термін «доліна» співзвучний з терміном «флювіальна річкова до­лина» , від якої карстова долина відрізняється морфологічно й гене­тично. Тому замість європейського терміна «доліна» у вітчизняній літературі використовують терміни «карстові лійки», «карстові блюд­ця», «карстові колодязі» тощо.

Карстові лійки зазвичай мають округлу чи овальну, іноді — не­правильну форму в плані та лійкоподібний поперечний переріз із крутими й прямими схилами (рис. 97). Розмір у поперечнику стано­вить 10 — 200 м. У разі формування складних лійок, які утворюються після злиття кількох суміжних або розміщених ланцюжком западин під час їхнього розростання по поверхні, простори між лійками набу­вають вигляду довгастих долиноподібних знижень, розділених неви­сокими перемичками на низку западин меншого розміру. Знижен­ня такого характеру отримали південнослов’янську назву «ували» (рис. 98). На дні багатьох карстових лійок нагромаджуються пухкі осадові породи, що змиваються із схилів, іноді днища мають тріщини, в яких затримуються атмосферні опади. Потім ці тріщини округлю­ються і набувають вигляду отворів округлої чи овальної форми діа­метром кілька десятків сантиметрів. Такі отвори, що поглинають по­верхневий стік, називають попорали. В Україні є чимало географічних назв, які містять інформацію про карстові процеси. «Понора», «по- норка» — назви річок і струмків, які протікають у районах поширен­ня вапнякових порід (зокрема, у районі старовинного волинського міста Ізяслава).

Зазначені форми поверхневого карсту, їхня морфологія та механізм утворення вказують на тісний зв’язок з формами закритого карсту внаслідок вертикального спрямування руху підземних вод, на які пе­ретворюються поверхневі води у разі потрапляння до карстових зни­жень земної поверхні. Саме під час інфільтрації або стікання поверх­невих вод до глибини гірської породи, схильної до вилуговування,

е

Р ис. 97. Форми карстового ре­льєфу (за Д. Пановим, 1966): а — карри; 6, в — лійки поверх­невого вилуговування; г — про­вальна лійка; д — карстова лійка; е — полія; є — печера: 1 — ста­лактити; 2 — сталагміти; З — ста­лагнати

відбувається підземне винесення розчинених порід і формування по­рожнин. Проте механізм закритого карсту має свої особливості.

З акритий карст. Проміжними морфоскульптурами між голим і закритим карстом є вертикальні карстові канали (попори, шахти, колодязі тощо), які живлять поверхневими водами підземні порож­нини і забезпечують процес вилуговування у глибині осадових товщ, схильних до карстування, тобто у карсто­вому масиві.

Для того щоб відбувся процес закритого карсту, не-

Рис. 98. Процес утворення ува­лів і польїв унаслідок об’єднан­ня (злиття) карстових лійок (за J■ Кипвку, 1960)

обхідною умовою є існування принаймні трьох зон, або поверхів, які розрізняються за гідрогеологічним режимом. Верхню зону — від денної поверхні до дзеркала підземних вод — називають зоною аерації, або зоною вертикальної циркуляції вод. Тут переважає вільний гра­вітаційний рух води, який відбувається періодично, під час надход- ' ження з поверхні дощових або талих вод. Може також відбуватися і постійне переміщення води, проте лише там, де є місцеві джерела живлення, наприклад річки, розміщені у межах території поширення карсту і губляться у системі підземних порожнин.

Нижче залягає зона періодично повного насичення, де спосте­рігаються неритмічні, різкі коливання рівнів підземних вод, які мо­жуть досягати значної амплітуди. Це пояснюється тим, що живлен­ня закарстованих масивів осадових порід відбувається за умов уже існуючої значної дренованості карстових масивів, що сприяє різко­му підняттю рівня підземних вод у разі надходження атмосферних опадів чи талих вод. У місцях поширення нерозчинних осадових по­рід частина поверхневого стоку витрачається на стікання, а інфільтра­ція поверхневого стоку відбувається значно повільніше і рівномір­ніше.

Верхня межа зони карстового масиву — зони постійного повного насичення збігається з рівнем найнижчого стояння підземних вод, а нижня — належить до поверхні водотривких порід — певного водо­тривкого горизонту (карстовий масив зазвичай має ярусну будову завдяки наявності кількох водотривких шарів і відповідно кількох горизонтів підземних вод). Тому відомості про гідрогеологічну будо­ву карстового масиву належать до певного ярусу, основою якого є водотривкий шар. На цьому поверсі рух підземних вод здійснюється майже горизонтально або, згідно з ухилом водотривкого шару, від центру карстового масиву до його країв. На периферії масиву відбу­вається розвантаження водоносного горизонту, води якого вже здійсни­ли вилуговування порід і містять у розчиненому стані продукти ви­луговування. Розвантаження відбувається у річкові долини, які по вертикалі перерізали всю товщу карстового масиву, або просто на денну поверхню на схилах долин, балок, ярів по покрівлі водотривко­го шару. Є й інші осередки розвантаження підземних вод, які брали участь у карстуванні: палеогеоморфологічні, або підземні (пов’язані

з давнім рельєфом), антропогенові (наприклад, великі кар’єри, шах­ти тощо), узбережні морські (виходи підземних вод нижче від рівня моря, внаслідок чого утворюється так званий морський прибережний вир) тощо.

Унаслідок наявності кількох горизонтів підземних вод, зумовле­них існуванням відповідної кількості водотривких шарів у карстово­му масиві, останній має виразну ярусну будову підземних порожнин. Вони часто з’єднані між собою горизонтальними ходами (за напря­мами поширення підземних вод по покрівлі водотривких шарів) або вертикальними шахтами, колодязями, підземними нонорами (за на­прямами зруйнованих водотривких порід, унаслідок давніх ерозій­них процесів, розломпих порушень тощо). Горизонтальні ходи, ви­повнені підземними водами, є своєрідними підземними ріками.

Механізм закритого карсту тісно пов’язаний з рухом підземних вод, що, в свою чергу, зумовлюється розміщенням карстового масиву над місцевим базисом денудації. За умов доброї дренованості біля покрівлі водотривкого шару (або біля підошви порід, схильних до вилуговування) впродовж тривалого часу формуються підземні по­рожнини. Зазвичай вони мають поперечний переріз у формі рівио- бедреного трикутника з основою, що збігається з напрямом розмі­щення водотривкого шару. Саме біля основи печери найінтенсивні- ше відбувається вилуговування і винесення маси гірської породи з підземними водами до осередків їхнього розвантаження. В ідеально­му випадку спостерігається ярусне розміщення печер і з’єднання їх горизонтальними ходами.

Покрівля утворених печер унаслідок продовження вилуговуван­ня та нещільності порід карстового масиву може зазнавати частково­го обвалювання, тому в центральній частині підземних порожнин спо­стерігаються хаотичні нагромадження уламків порід різних розмірів. Оскільки днища печер належать до покрівлі водотривкого шару, то вони часто є акваторіями підземних озер, в які з покрівлі печер пада­ють краплі інфільтрованих поверхневих вод, що мають достатню кон­центрацію розчинених порід карстового масиву. Це спричинює фор­мування екзотичних підземних морфоскульнтур — сталактитів і сталагмітів.

Розчинений у воді гідрогенкарбонат кальцію здатний легко роз­щеплюватися на вуглекислий газ і гідрогенкарбонат. Вуглекислий газ при цьому зазвичай виділяється у повітря. Розкладання гідроген- карбонату стає можливим за різних причин: у разі контакту з по­вітрям, випаровування води, підвищення її температури тощо. Надли­шок карбонату кальцію, що утворюється при цьому, осаджується у твердому стані. За відповідних умов цей процес відбувається у кар­стових печерах (так утворюються сталактити, оскільки у випадку оса­дження у твердому стані гідрогенкарбонату під час стікання з покрівлі печер з кожною краплею зростають довжина і товщина мінеральних наростів — сталактитів). Водночас відбувається формування ста­лагмітів, які ростуть угору і за певних умов зростаються зі сталакти­тами, утворюючи колони — сталагмати. Такий процес спостерігаєть­ся також у процесі відкладання вапнякового туфу за допомогою підземних вод, які з’являються на земній поверхні або у великих підземних порожнинах (ці утворення є натічними травертиновими терасами). Подібні процеси відбуваються і під час утворення оолі­тових вапняків у відкритих джерелах (рис. 99).

Місця знаходження печер у товщі карстового масиву та основні ознаки їхньої морфології зумовлені розміщенням систем тріщин у породах (тектонічних або таких, що утворюються під час діагенезу порід, придатних для прояву карстування). Діагенез — це процес перетворення первинних осадів на осадову породу, під час якого відбу­вається її ущільнення і можуть сформуватися значно ущільнені та ослаблені ділянки масиву порід. Підземні води, що проникають до ослаблених зон породи по тріщинах, поступово розширюють їх і ство­рюють складну систему підземних каналів. У зонах найсильніших потоків розширення ослаблених зон породи (так званих магістраль­них каналів) найяскравіше виявляється ефект розчинення. До таких зон можуть примикати навколишні порожнини, утворюючи великі підземні печери. Під час розширення нових тріщин і часткового за­купорювання старих каналів руху підземних вод матеріалом, при­несеним з поверхні, або утвореним унаслідок обвалювання склепінь

136. 

137. Рис. 99. Схематичний розріз карстової печери (за Р. Кеттнером): / — сталактити; 2 — сталагміти; З — сталагнати

печер, підземні води можуть прокладати собі нові канали, залишивши старі без води. Так виникають численні сухі печери зі слідами на­посів на дні каналів — свідками колишц_ЬОго інтенсивного руху підзем­них вод.

Печери часто утворюють складну систему відносно вузьких ка­налів і просторих розширень — залі»_{і як}і мають численні відгалу­ження, змінюють напрям і часто розміщуються на різних рівнях у кілька поверхів. Це відбувається переважно за умов висхідного роз­витку рельєфу, значної потужності вгц_ІНЯКОвих товщ, певного пору­шення геологічної структури відкладів (наявність моноклінальної, вер­тикальної, складчастої, розломної стру_КТур) Трапляються випадки належності деяких рівнів печер (окремих поверхів) до рівнів давніх річкових терас, тобто ДО рівнів КОЛИШНЬОГО високого розміщення місце­вих базисів карстової денудації. Зовнішні отвори печер відкрива­ються або по краях карстових масивів, або на схилах долин, що їх прорізають. Часто зовнішнім отвором печери є понора, яка з’єднує днище карстової лійки (полья) з печерою.

Печера може мати тільки один вхідний отвір, на іншому кінці вона закупорена обвалом, натічними утвореннями чи розпадається на сис­тему вузьких тріщин і каналів, крізь які важко проникнути. Це — сліпі, або мішкоподібні, печери. В ініц_Их випадках печери відкрива­ються назовні двома або кількома виходами, розміщеними на проти­лежних кінцях, це - прохідні печери.

Рельєф карстових областей відзивається своєрідністю будови річкових долин. Оскільки більшу частину року в межах карстових масивів поверхневий стік перетворюється на підземний (за наявності тріщин і понор), то річкові долини, що починаються тут, неглибокі та слабкорозроблені, тому що вода заповнює їхні русла переважно під час сильних злив чи танення снігу.

На територіях з добре розвиненим карстом часто формуються мішкоподібні річкові долини. Протилежні схили таких долин ближ­че до верхів’я зазвичай змикаються, утворюючи суцільну стіну, біля підніжжя якої знаходиться потужне джерело підземних вод, що дає початок річці.

Якщо поверхнева карстова форма, наприклад, карстовий яр у гли­бину досягає поверхні водоносного горизонту, то останній зумовлює появу у днищі яру постійного водного потоку. Виникає сліпа річ­кова долина, що закінчується тупиком, тобто не з’єднується з інши­ми річковими долинами, озерами чи будь-якими іншими зниженнями (рис. 100). Водний потік перетворюється на підземний, і річка, що

Рис. 100. Замкнені карстові до­лини (за і. КипБку, 1960): а — сліпа (тупикова); б — напів­сліпа

п ротікає по сліпій долині, надалі продовжує свій рух системою підземних по­рожнин.

На склепіннях, днищах і стінах багатьох печер є різноманітні натічні утворення з вапна. Зі стелі печер звисають вер­тикальні вузькі та довгі утвори, що нагадують льодяні бурульки. Ево­люція натічно-крапельних утворів залежить від притоку води до печери. Під час переходу з карстованої товщі до порожнини пе­чери спочатку розвиваються напливи на ЇЇ днищі — гурії, потім — сталагміти з широкою основою і звуженою вершиною, що нагадує слабкодеформовані колони. Якщо притік води зменшується до 0,1 —

01 м³/с, утворюються сталактити, а за подальшого зниження при­току вод, що містять значну кількість розчинених порід, — ексцент­ричні сталактити. На однаковій стадії розвитку у різних частинах порожнини печери спостерігається різний приток води, внаслідок чого виникають різні, часто химерні форми натічно-крапельних утворень (рис. 101).

Більшість карстових печер утворюється після вилуговування порід або за спільної дії процесів розчинення й розмивання гірської породи (в цьому випадку розмивання підготовлене розчиненням спайок де­яких зерен породи). Велике значення має роль обвалювання породи, особливо на зрілих стадіях розроблення печерних порожнин. Деякі печери виникли під впливом термальних і мінеральних вод. Печерні порожнини так званого рудного карсту утворилися внаслідок дії на вапняк сульфатних розчинів, що виникають під час окиснення піриту та інших сульфідів. Трапляються також печери, що є значно розкри­ті тектонічними тріщинами, проте змодельовані (оброблені) процеса­ми вилуговування (підземні карри тощо) та осадження по стінах тріщин натічно-крапельних утворів.

Карстовим печерам властивий специфічний кліматичний режим (саме «кліматичний», оскільки карстові порожнини існують трива­лий геологічний час, а зміни зовнішніх кліматичних умов не так різко впливають на температуру, тиск і вологість, що притаманне атмосфері підземних порожнин). За температурними умовами, зумовленими

Рис. 101. Химерні форми натічно-кра­пельних утворень у печері Миру (Угор­щина)

м орфологічними особливостями, виокремлюють три типи печер (І. ІДукін, 1964): 1) печери, від­криті з обох боків — прохідні печери — добре вентилюються завдяки вільному газообміну їх­нього повітря із зовнішнім. Такі печери характеризуються різкими і значними коливаннями темпера­тури та вологості відповідно до та­ких самих коливань зовнішнього повітря; 2) «сліпі* печери, вхідні отвори яких розміщені у нижній частині порожнини; температура повітря у цих печерах зазвичай до­рівнює температурі гірських порід, що їх оточують, тому їх ще на­зивають «теплими печерами»;

«сліпі» печери, вхідні отвори яких ведуть до лантухоподібної порожнини. У таких печерах на­віть у теплу пору року зберігаєть­ся холодне зимове повітря з міну­совими температурами. Це спри­чинює замерзання води, що про­никає в печеру, й утворення льо­дяних мас у вигляді чудернацьких форм, інею та химерних льодяних кристалів на їх стінах. Улітку зовнішнє тепле повітря не здатне ви­тиснути холодне і щільне повітря з печери, і температура у ній зали­шається мінусовою. Лід у печерах може, ймовірно, утворюватися та­кож під впливом посиленого випаровування вологи з пористої по­верхні гірських порід. Печери цього типу трапляються лише у райо­нах помірних широт з холодною зимою (рис. 102). Найвідомішою із холодних печер є Кунгурська, розміщена у Передураллі.

Із появою людини печери використовувалися як схованки від не­годи, а в районах із суворішим кліматом — як постійне житло. Тому

138. 

139. Рис. 102. Фрагмент інтер’єру Добшинської льодови­тої печери (Словаччина)

ними дуже цікавляться археологи, оскільки багато з них зберегли слі­ди перебування первісної людини. У деяких печерах, стіни яких зав­дяки незначним коливанням температури майже не зазнали вивітрю­вання, збереглися наскельні розписи, де зображено тогочасних тва­рин, наприклад мамонта, довгошерстного носорога, північного оленя, зубра, дикого коня, печерних лева і ведмедя, антилопи сайги тощо. Це має велике значення для вивчення первісної культури та для рекон­струкції палеогеографічних умов четвертинного періоду. Крім того, печери є місцями існування різних організмів.

Найвідоміші карстові масиви в Україні — Придністров’я, Кримські гори та Причорномор’я, деякою мірою — Донбас, Карпати і Закар­паття. Так, у гіпсових відкладах Придністровського Поділля і Буко­вини поширені складні лабіринти печер, розроблені згідно із систе­мою тріщин і розломів, які взаємно перетинаються. Це найбільші з гіпсових печер світу. Печера Оптимістична має довжину лабіринту 142,5 км і посідає друге місце у світі (після печерної системи Флінт-

Мамонтова у США, штат Кентуккі). Печера Озерна (104,5 км) за сумарною довжиною проходів посідає четверте місце. Інші великі печери — Золушка (40 км), Кришталева-Кривченська (22), Млинки (15,1), Вертеба (7,8 км).

Значна кількість карстових порожнин у цьому регіоні зумовлена поширенням рифових вапняків сарматських морів — так званих По­дільських Товтр.

У Карпатах крім печер вапнякового карсту («Дружба», Білока­м’яна, Прекрасна, Перлинова тощо) поширені печери сольового кар­сту (Передкарпаття і Закарпаття).

У Гірському Криму своїми розмірами виокремлюється Червона печера на Долгоруківському масиві. Вона складається з шести різно­вікових поверхів і досліджена на відстані 13,1 км (найдовша з вап­някових печер Північної Євразії). Верхні поверхи мають складні екзотичні натічно-крапельні утворення, по двох нижніх тече підземна ріка, яка утворює кількасот проточних озер, низку каскадів і сифонів (так називають звернені вгору чи вниз колінчасті згини вузьких місць каналу текучих підземних вод, що утворюються після обвалювання тунелю і захаращення його дна уламками), що значно утруднює до­слідження печери.