Уральские пещеры

Мы много раз пытались использовать представления о превращении в пещеры трещин (в том числе идеи Д. С. Соколова о необходимости предварительного раскрытия трещин и представления А. Бегли о влиянии коррозии смешивания) для объяснения строения той или иной пещеры, но всегда неудачно. На иной, более продуктивный подход нас натолкнули наблюдения в пещере Шумиха. Мы обратили внимание, что на пересечении тектонических трещин всегда сильная капель. Так может быть, в карстовую полость превращаются не сами трещины, а каналы, образованные их пересечением? Эта идея показалась очень заманчивой уже при беглом ее рассмотрении. Ведь сразу логично объясняются ранее непонятные факты: карстовые воронки, а также стволы шахт и колодцев всегда приурочены к пересечению тектонических трещин; галереи пещер, как правило, находятся на пересечении вертикальных трещин и трещин напластования; капель со свода в карбонатных пещерах (это показал просмотр архивных материалов СГС) почти всегда интенсивнее в местах пересечения вертикальных трещин, такие же наблюдения в отношении гипсовых пещер сделали ленинградские спелеологи (24); наконец, тонкие длинные каналы во вмещающих породах давно замечены в пещерах и описаны в 1942 году американским карстоведом Дж. Бретцем.

В любом массиве до начала активного карстования имеется трехмерная сеть каналов, образованных пересечением трещин. Пересечения двух тектонических трещин образуют каналы, по-разному наклоненные к горизонту: вертикальные, наклонные и горизонтальные. Назовем их для краткости тт-каналами. При пересечении тектонической или литогенетической трещины и трещины напластования получаем тн-канал. Вертикальный тт-канал, по нашей гипотезе, может превратиться в колодец или шахту, остальные являются зародышами пещерных галерей (рис. 35А).

Теперь проверим справедливость выдвинутой идеи. Построим мысленную модель интересующего нас процесса и сопоставим с результатами наблюдений. Итак, мы принимаем, что зарождение карстовых полостей происходит при коррозионном расширении инфильтрующейся водой каналов, образованных пересечением двух тектонических или литогенетических трещин (а не самих трещин!). И естественно, что в карстовую систему речного типа превращается та группа каналов, которая в начальной стадии формирования пещеры имеет наименьшее сопротивление течению воды от понора к дрене.

Как же зависит форма пещер речного типа от геологических условий, в которых она возникает? Допустим, что карстовая полость образуется в слоистых, наклонно залегающих карбонатных породах, и направление от понора к дрене в общем совпадает с направлением падения пластов вмещающих пород. Предположим также, что все однотипные трещины массива одинаковы и весьма протяженны. Для моделирования обратимся к геометрии (принимаем во внимание тт- и тн-каналы с минимальным гидродинамическим сопротивлением на участке понор — дрена). Поскольку морфологический тип пещеры определяется величиной K, возможны три различных соотношения между ней и тангенсом угла падения пластов. Формы соответствующих им полостей в начальной стадии их развития показаны на рис. 35Б, 1, 2, 3.

При равенстве этих величин наименьшим гидродинамическим сопротивлением обладает тн-канал, образованный пересечением одной или нескольких тектонических трещин и одной межпластовой, соединяющей понор и дрену. При совпадении линии падения пластов и простирания тектонической трещины возникает полость, соединяющая понор и дрену по кратчайшей прямой (рис. 35 Б, А). Такие пещеры по форме очень просты, но они наиболее редки. На Урале нам известна лишь одна полость этого типа — пещера Ключ. Если направления линии падения пластов и тектонической трещины не совпадают, используются каналы, образованные межпластовой трещиной и сетью вертикальных.

Если величина К больше тангенса угла падения пластов, то тн-канал, начинающийся у понора, окажется над дреной. Значит, понор и дрена могут быть соединены полостью лишь при наличии в ней каскада колодцев, углубляющих ее до уровня дрены (рис. 35Б, В). Количество колодцев и глубина каждого из них зависят от плотности тектонических трещин в массиве. Если считать ее постоянной для данного района, то коэффициенты вертикальности пещер в зоне нисходящей циркуляции будут определяться в основном величинами проекций расстояний между понорами и дреной, падая с их ростом (пещеры Кутукского урочища и шахта Географическая). Из нашей модели зарождения полостей естественно вытекает наличие колодцев в карстовых полостях зон нисходящей циркуляции вод при большом значении К.