Лекция 15. Геологическая деятельность подземных вод

К подземным водам относятся все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород. Они широко распространены в земной коре. Велика геологическая деятельность подземных вод. С ними связаны карстовые процессы в растворимых горных породах, оползание земляных масс по склонам оврагов, рек и морей, разрушение месторождений полезных ископаемых и образование их в новых местах, вынос различных соединений и тепла из глубоких зон земной корн.

В формировании подземных вод большое значение имеет водопроницаемость горных пород, т. е. способность горной породы пропускать воду. Наблюдения показывают, что в одних местах, где развиты глины, атмосферные осадки застаиваются на поверхности и испаряются, в других районах, сложенных песками, достаточно быстро проникают в глубину. Еще быстрей просачиваются осадки в галечниках.

По степени проницаемости горные породи подразделяются на З группы:

1) водопроницаемые, к которым относятся пески, гравий, галечники, трещиноватые песчаники, конгломераты и другие скальные породы, трещиноватые и закарстованные известняки, доломиты и другие растворимые породы;

2) слабопроницаемые — супеси, легкие суглинки, лесс, неразложившийся торф и др.;

3) относительно водонепроницаемые, или водоупорные, — глины, тяжелые суглинки, хорошо разложившийся торф и нетрещинноватые массивные кристаллические и сцементированные осадочные горные породы.

Водопроницаемость горных пород обусловлена либо тем, что порода рыхлая и зернистая (например песок, гравий), и вода в этом случае может просачиваться по порам, либо тем, что породы, хотя и массивные и сцементированные (гранит, известняк), но разбиты трещинами, по которым и происходит перемещение воды.

От состава рыхлых горных пород зависит их влагоемкость, т. е. способность вмещать и удерживать в себе то или иное количество воды. Различают полную влагоемкость, когда вода заполняет все поры (включая и тонкие капиллярные) горной породы, и максимальную молекулярную влагоемкость, показывающую количество воды, удерживаемой в породе силами молекулярного сцепления после того, когда вся гравитационная вода стечет из породы. Разность между полной и максимальной молекулярной влагоемкостью называют водоотдачей горной породы.

Водопроницаемость трещиноватых пород зависит от размера и характера трещин.

При своем движений подземные воды и связанные с ними просачивающиеся в глубину поверхностные води производит сложную геологическую работу. Прежде всего следует отметить широко распространенные карстовые явления.

Под карстом следует понимать процесс выщелачивания растворимых трещиноватых горных пород движущимися подземными и поверхностными водами, которые вызывают образование специфических и разнообразных замкнутых впадин на поверхности земли, пещер и каналов в глубине.

К числу растворимых пород относятся каменная соль, гипс, ангидрит, известняк, доломит, отчасти мергель, в которых и наблюдается развитие интенсивных карстовых процессов. Наибольшей растворимостью обладает каменная соль, меньшей — карбонатные породы, известняки и доломиты. В зависимости от состава растворимых пород различают соляной карст, гипсовый, карбонатный.

Подземные воды всегда обогащены тем или иным количеством растворенных солей и газов. Следовательно, на горные породы воздействует не химически чистая вода, а сложный раствор с беспрерывно меняющейся концентрацией солей в нем. Нахождение же в природных водах различных солей и углекислоты существенным образом влияет на растворимость горных пород. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты во много раз больше, чем химически чистая вода. Присутствие же в подземных водах NaCl повышает растворимость гипса в 2,5—3,5 раза (в зависимости от количества NaС1), а наличие сернокислого магния понижает растворимость его до нуля, и т. п.

Взаимодействие сложных природных растворов, какими являются подземные и поверхностные воды, с растворимыми трещиноватыми горными породами и приводит к образованию различных карстовых форм. На территории России и за рубежом наибольшим площадным распространением отличаются карбонатные породи — известняки и доломиты, в то время как гипс и каменная соль занимают меньше пространства и часто образуют отдельные линзы и прослои среди пород глинистого состава. Вследствие этого карстовые процессы лучше всего изучены в мощных толщах известняка и доломита. Карст во всем его многообразии проявляется в Крыму и в отдельных местах на Кавказе. Типичный карстовый ландшафт особенно хорошо выражен на поверхности обнаженных известняков в пределах главной гряди Крымских гор.

Поверхностные карстовые формы. Карры являются одной из форм карстового рельефа, развивающегося на поверхности растворимых горных пород. Они представляют собой углубления, напоминающие глубокие борозды, небольшие канавки, щели, дыры и т. п. глубиной от нескольких сантиметров до 1 и редко 2 м. Они протягиваются то более или менее параллельно друг другу, совпадая с направлением уклона поверхности, которая представляется как бы изборожденной гигантской бороной, то располагаются совершенно неправильно, ветвятся и часто сливаются друг с другом. Происхождение их связано главным образом с растворяющим воздействием атмосферных вод на породы в краях трещин, рассекающих массивы. Но в выработке карров в пределах крутых склонов принимает участие и размыв. Просачиваясь при своем движений по трещинам, вода постепенно растворяет, корродирует и уносит отдельные частицы известняка, расширяя трещины. Таким образом, вода, обладая способностью проникать в тончайшие пори и трещины, проводит свою медленную, но верную разрушительную работу и превращает их в широкие зияющие щели и углубления.

Вся эта совокупность углублений и называется каррами, а поверхность растворимых пород, покрытая каррами, — карровыми полями. Карры могут образоваться и в прибрежной зоне моря, особенно это относится к рифовым образованиям морских побережий. Наряду с атмосферными водами здесь имеют существенное значение морские соленые води. По-видимому, образованию подводных карр в море способствует углекислота, образующаяся при разложении органического вещества (рифостроящих организмов).

Поноры. Карстовые процессы не заканчиваются на образовании карров. Наоборот, карры можно рассматривать как элементарные, самые простые формы рельефа. Понорами называют вертикальные или наклонные отверстия, поглощающие поверхностную воду. Они развиваются в местах пересечения и развития крупных трещин, уходящих в глубь карстовых массивов и представляющих собой наиболее легкие пути циркуляции води. Образовавшиеся на этом месте ложбинки растут более свободно в глубину и ширину и постепенно превращаются в водосборные каналы, поглощающие и отводящие воду с поверхности земли. Собственно поноры встречаются относительно редко, чаще всего они находятся в сочетании с другими карстовыми формами.

Ниши. На выходах растворимых горных пород на крутых склонах часто наблюдаются различных размеров карстовые ниши. Они образуются при растворении пород атмосферными осадками (дождевыми и снеговыми водами), стекающими в большом количестве по обнаженному склону, и при процессах физического выветривания. Местами ниши образуются в результате выщелачивания подземными водами, вытекающими по склону. Чаще всего выработка ниш связана с трещинами напластований.

Воронки являются наиболее распространенными карстовыми формами. Они встречаются в громадных количествах в разнообразных климатических зонах — на побережье Средиземного и Черного морей, в районе Ленинградской и Архангельской областей, в районе Ангаро-Енисейского бассейна и в районах Дальнего Востока и Урала. Карстовые воронки имеют различную форму — они встречаются то в виде настоящих воронок с довольно крутыми склонами, то чаш или блюдец с пологими склонами и небольшой глубиной. Диаметр подавляющего большинства воронок изменяется от 1 до 50 м и лишь у некоторых достигает 100 м и более. Глубина их редко превышает 15—20 м. Часто на дне карстовых воронок наблюдаются поноры — отверстия, которые уводят собирающиеся в воронке поверхностные воды в глубину.

В сильно закарстованных районах воронки, буквально как оспины, покрывают всю поверхность земли. Так, например, на отдельных участках Крымской яйлы на площади в 1 км² находится до 50 и даже до 80 воронок, а на западном склоне Урала, в районе Кизеловского каменноугольного бассейна, — от 30 до 120 воронок на ту же площадь. Среди них по особенностям развития выделяются 2 основных типа:

1. Воронки поверхностного выщелачивания, образование которых связано с растворяющим воздействием дождевых и снеговых вод, приводящим к постепенному углублению и расширению трещин. Росту этих воронок помогает размывающая деятельность поверхностных вод.

2. Провальные воронки распространены как в пределах различных растворимых пород, так и в районах, где растворимые породы покрыты достаточно мощной песчано-глинистой толщей. Они образуются в результате обрушения сводов подземных карстовых полостей. Карстовый процесс в этих условиях сосредоточивается в глубине, где вырабатываются различные полости— пещеры, своды которых до определенного момента держатся ненарушенными. Последующее развитие пещер может привести к нарушению равновесия земляных масс в своде и образованию провалов, иногда значительных размеров. Такие карстовые воронки провального происхождения развиты на площади Тульской, Ивановской, Ленинградской и Пермской областей, в пределах Татарин, на Урале и в других местах.

Карстовые воронки на поверхности земли то вытянуты в цепочку, то группируются в виде отдельных неправильных групп. Линейное расположение воронок связано главным образом с наличием крупных тектонических трещин, по линиям которых и протекали с наибольшей интенсивностью карстовые процессы. Иногда такая цепь карстовых воронок располагается над подземной пещерой или на контакте растворимых пород с нерастворимыми.

Процессы растворения и эрозия при линейном расположении воронок могут привести к образованию карстово-зрозионных оврагов.

Карстовые котловины и полья. Дальнейшее развитие карстовых процессов приводит к образованию более сложных крупных карстовых форм — котловин и польев, достигающих иногда значительных размеров. Площадь наиболее крупных польев измеряется сотнями квадратных километров. Так, например, площадь Ливоньского полья в Югославии составляет около 379 км². В России к таким крупным карстовым формам относятся котловины Бештекне в юрских известняках Крыма, а также котловина в эоценовых известняках Кавказа и др.

Крупные полья и котловины приурочены к горным районам и обнаруживают тесную связь с тектоническими особенностями их — простиранием структур и разрывными нарушениями. Направление котловин и польев определяется структурой, а последующее развитие связано с выщелачиванием и эрозией. Некоторые котловины возможно образовались путем обрушения кровли над крупными карстовыми полостями. И, наконец, относительно небольшие котловины могли образоваться путем расширения и слияния многих карстовых воронок.

В днищах котловин и польев наблюдаются местами воронки с понорами, поглощающие воду, есть полья, периодически заполняющиеся водой, а некоторые превращены в крупные озера.

Карстовые колодцы и шахты представляют собой карстовые формы, уходящие в глубину на десятки и сотни метров и являющиеся как бы переходными от поверхностных к подземным формам. Г. А. Максимович к карстовым колодцам относит вертикальные каналы глубиной до 20—30 м и шириной более метра, а более глубокие формы, достигающие глубины в несколько десятков и сотен метров, называет естественными (карстовыми) шахтами. Иногда глубокие карстовые шахты, расширяясь вследствие интенсивного выщелачивания и размыва поверхностными водами и обрушения, приобретают вид грандиозных пропастей. Образование некоторых естественных шахт и карстовых воронок местами, возможно, связано с мощными восходящими источниками подземных артезианских вод. В качестве примера подобной шахты, заполненной водой, приводится Н. А. Гвоздецким котловина оз. Церик-Кель, глубиной 258 м.

Исчезающие реки. С карстовыми процессами связано полное или частичное поглощение поверхностного стока рек. Исчезающие реки имеются в различных районах и климатических зонах. С давнего времени известно, что воды верхнего течения Дуная у г. Иммендингена поглощаются понорами в таком количестве, что летом, когда река бедна водой, русло ее на некотором расстоянии остается сухим. Опытами, проведенными в этом районе, установлено, что Дунай течет под землей по карстовым каналам на протяжении 12,5 км, после чего выходит на поверхность в виде мощного источника, дающего начало реке.

Поглощение и отвод в глубину поверхностного стока рек понорами, воронками и другими карстовыми формами придает своеобразный облик долинам. Среди них выделяются:

1. Слепые долины (карстово-зрозионные), по которым поверхностные воды стекают к поноре и поглощаются ею. Такие долины слепо заканчиваются, не достигая главной реки.

2. Полуслепые долины, которые были созданы эрозионной деятельностью поверхностных вод, но в последующем потеряли связь с главными водными артериями в результате образования карстовой формы, поглощающей сток. Такая поглощающая карстовая форма для верхнего отрезка боковой долины будет служить местным базисом эрозии. Отрезок же долины, расположенный ниже, превращается в суходол.

Периодически исчезающие озера. Большой интерес представляют периодически исчезающие озера, тесным образом связанные с карстовыми процессами. Группа таких озер (Шимозеро, Долгозеро, Грязозеро, Канозеро, Ундозеро и др.), описанных Г. И. Куликовским, располагается на Онежско-Белозерском водоразделе. На дне этик озер находятся карстовые воронки и поноры, через которые вода озер периодически поглощается и уводится в глубину.

Подземные карстовые формы. Наряду с образованием поверхностных карстовых форм, связанных в значительной степени с выщелачиванием и размывом поверхностными водами, в глубине массивов растворимых горных пород наблюдаются различные подземные формы. Среди них большое значение имеют: 1) закарстованные трещины, т. е. трещины, расширенные растворяющей деятельностью подземных вод; 2) карстовые пещеры и каналы. Наибольшее внимание исследователей привлекают пещеры — самые крупные подземные карстовые формы, отличающиеся рядом весьма своеобразных явлений. Они образуются вблизи верхней границы зоны полного насыщения, где под земные воды движутся по закарстованным трещинам и где создаются наиболее благоприятные условия для развития подземных пещер и каналов. Пещеры представляют собой систему горизонтальных или близких к горизонтальным каналов, то неправильно ветвящихся, соединенных узкими ходами, то неожиданно расходящихся и образующих огромные залы, или гроты, то переходящих в узкие, едва проходимые щели. Для подземных полостей характерны в плане повторяющиеся зигзаги, а в профиле — крутые уступы. Такая неровность и причудливость в очертаниях обусловлена сложностью систем трещин, пересекающих горные породы, и, возможно, неоднородностью состава последних. На дне карстовых пещер наблюдаются иногда водотоки или небольшие озера. При наличии водотоков, помимо химического воздействия (коррозии) на горные породы, наблюдается и размыв (эрозия). Особенно большую роль играет подземная эрозия в выработке крупных пещер.

В ряде пещер наблюдаются грандиозные по высоте и ширине гроты, в образовании которых имели значение не только растворение и эрозия, но и крупные обрушения сводов пещер. А это, в свою очередь, вызывает образование провальных воронок и пропастей на поверхности земли. Таким образом карст на поверхности и в глубине представляет собой единый взаимосвязанный процесс.

В России карстовые пещеры распространены на Кавказе, в Приуралье, на Алтае и в других местах. Они развиты также в странах бывшей Югославии, Италии, Франции, Америке и других странах.

Наибольших размеров достигает Мамонтова пещера в Америке на плато Кентукки. А. Холмс отмечает для этого района, что «кавернозные известняки, слагающие плато Кентукки, содержат свыше 60 000 карстовых воронок и сотни пещер, включай Большую Мамонтову пещеру, которая сама обладает непрерывными каналами протяжением свыше 48 км» (имеется в виду длина без боковых ответвлений).

Отложения в карстовых пещерах и полостях. Подземные воды не только разрушают горные породы, но образуют и новые отложения в карстовых пещерах, полостях и трещинах. Наиболее распространены хемогенные отложения, создающие в пещерах весьма своеобразные и необычайно эффектные натечные образования. Вода, просачивающаяся сверху и движущаяся по трещинам, в карбонатных породах обычно содержит много растворенного углекислого газа (СО₂), что значительно увеличивает ее растворяющую способность. Растворяя по пути своего движения известняки (в зоне аэрации), она насыщается углекислым кальцием в виде бикарбоната Когда же такая вода просачивается с потолка или стенок пещеры, она выделяет часть углекислоты, в результате нарушается указанное равновесие и реакция сдвигается влево. Бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСОз), который частично выпадает в осадок в момент, когда капли воды находятся еще на потолке пещеры. Так из капель просачивающейся воды с потолка пещер нарастают вниз натечные образования, называемые сталактитами. В ряде пещер можно наблюдать различные иногда изумительной красоты формы сталактитов, то свисающих в виде тонких свечей или трубочек, то в виде красивых как бы кружевных занавесей и др.

Вместе с тем падающие на пол пещеры капли воды выделяют остатки карбоната кальция, в результате снизу растут также натечные образования в виде колонн, трубочек, конусов и других форм, называемых сталагмитами. Иногда сталактиты и сталагмиты сливаются друг с другом в единые колонны.

В некоторых пещерах в натечных формах местами встречаются гидроокислы железа, опал и другие минералы.

Помимо образования описанных специфических форм на потолке и дне пещер, подземные воды, циркулирующие по трещиноватым известнякам, при выходе на поверхность или на дно пещеры также откладывают карбонат кальция, образуя иногда мощные скопления. Эти пористые карбонатные натечные образования называются известковым туфом.

Подземные воды, циркулирующие в закарстованных горных породах в зоне полного насыщения, содержат различные соединения в растворенном или коллоидальном виде. Из таких водных растворов при благоприятных условиях эти соединения выпадают в карстовых полостях, закарстованных трещинах, в кавернах. К их числу могут быть отнесены кальцит, гипс, опал и даже некоторые рудные минералы. По-видимому, с этим связано образование кремневых конкреций, или отдельных окремнелых прослоев в известняках. В пещерах, в карстовых воронках и в других карстовых формах наблюдаются остаточные образования. Они разнообразны по своему составу. Местами встречаются красноцветные глинистые образования, обогащенные гидратами окислов железа и алюминия. Это так называемая терраросса (красная земля) — нерастворимые продукты карбонатных пород. К остаточным образованиям относится также доломитовая мука, которая заполняет частично или полностью многие карстовые полости. Исследования под различные гидротехнические сооружения в России и за рубежом показывают значительное развитие доломитовой муки в карстовых полостях как в бортах долин, так и под их руслами.

На дне пещер нередко наблюдаются отложения водных потоков — пещерный аллювий, а также обвальные накопления, которые представляют собой продукты обрушения сводов крупных гротов.

К своеобразным накоплениям относятся пещерные трещинные льды, распространенные в ряде карстовых массивов. Образование их связано главным образом с условиями циркуляции воздушных масс в карстовых полостях в зоне аэрации. Наиболее известны ледяные гроты Кунгурской пещеры.