Уральские пещеры

Если величина К меньше тангенса угла наклона пластов, образуются наклонные пещеры без колодцев. Линия наименьшего гидродинамического сопротивления в этом случае лежит выше тн-канала, начинающегося у понора. "Подъем" пути понор — дрена возможен по вертикальным тт-каналам (рис. 35Б, б, 1). Ступенчатая линия тонкого первичного канала вероятнее всего будет "стерта" при последующем превращении его в зрелую карстовую полость. Возможен н второй вариант развития полости в этих условиях — углубление ее по межпластовой трещине ниже уровня дрены и затем подъем к ней по вертикальному тт-каналу (рис. 35 Б, б, II). Геометрия подтверждает равновероятность обоих вариантов образования полости. В случае поверхностной дрены они соответствуют горизонтальным пещерам- источникам и восходящим напорным источникам зон горизонтальной и сифонной циркуляции. Таким образом, предлагаемая модель не только позволяет объяснить существование восходящих источников, но и предсказывает условия, в которых они могут образоваться.

Пока мы рассматривали обстановку, когда в карстующемся массиве сток был направлен в сторону падения пластов вмещающих пород. Чаще всего так и бывает. Однако возможно и несовпадение этих направлений, а угол между ними может достигать 180°. В рамках нашей модели можно себе представить по крайней мере два случая развития карстовой полости в этих условиях (рис. 35 Б, г). Эти варианты равновероятны. Первый на практике пока не известен, второй же соответствует карстовой системе пещеры Шумиха. Другой возможный способ развития карстовой полости связан с превращением в нее наклонных и горизонтальных тт-каналов, образованных вертикальной и наклонной или двумя наклонными тектоническими трещинами (рис. 35 Б, Д). В качестве примера можно привести карстовую систему массива Фишт, где имеется шахта Парящая Птица глубиной 520 м, и известную на Урале пещеру Смолинская (12). Каналы этого типа служат для образования как горизонтальных пещер, так и шахт (вместе с тт-каналами, рис. 35 Б, д). К этому случаю применимо все изложенное выше.

До сих пор речь шла о продольных профилях карстовых полостей, образующихся из каналов. Каковы же будут их очертания в плане? На рис. 36 В показана проекция пласта, падающего от понора П к линейной дрене АВ (подземная или поверхностная река). Для простоты изображена обстановка, соответствующая случаю, когда величина К равна тангенсу угла наклона пластов. Тонкими линиями показаны следы вертикальных трещин, секущих пласт, т. е. тн-каналы.

Наиболее вероятные углы пересечения трещин в известняках, по нашим наблюдениям, 60–70° и 110–120°. Можно геометрически показать, что если понор точечный и разгрузка возможна в любой точке дрены, то внутри треугольника ПАВ любые нисходящие ломаные, идущие по тн-каналам, минимальны и равны между собой. Протяженность участка дрены, на котором разгружаются равноценные каналы с минимальным сопротивлением, зависит от величины угла Д4ПВ, образованного у понора перпендикуляром к дрене и тектонической трещиной. Она снижается до нуля, когда этот угол становится меньше 30°. Однако в общем случае, если все каналы идентичны, внутри треугольника АВП имеется целый набор равноценных путей с минимальным гидродинамическим сопротивлением.

Что же получается? Во-первых, оказывается, что из многих путей, по которым просачивается вода, случайно выбирается тот, который превращается в карстовую полость речного типа. Такое выделение, очевидно, происходит не сразу. Вначале они расширяются одновременно, затем поверхностный ручей полностью перехватывается одним из путей. Значит, в окружении пещеры речного типа должен существовать своего рода ореол из микрополостей. Отмеченные Дж. Бретцем круглые каналы, иногда пронизывающие стены пещер, и могут быть элементами этого ореола.

Во-вторых, очевидно, при определенных условиях полость должна менять направление — меандрировать.

И, наконец, последнее очевидное следствие. Если в рассматриваемом на рис. 35 случае угол падения пластов или величина К невелики, то в пещере должны быть ветвления расходящегося и сходящегося типов за счет одновременного или последовательного расширения нескольких параллельных галерей. На плановой проекции пещеры образуются "острова", огибаемые меандрирующими пещерными галереями. Крупные пещеры с подземной рекой в зоне горизонтальной циркуляции (например, Красная в Крыму) действительно обладают такой особенностью. В отдельных случаях полость речного типа приобретает черты лабиринтовой пещеры: такова всемирно известная стокилометровая пещерная система Хельлох в Швейцарии. Меандровый характер галерей отличает лабиринты речного типа от лабиринтов озерного типа, у которых галереи всегда прямые.

При значительной величине К подземный поток врезается в массив гораздо быстрее, чем расширяются параллельные пути фильтрации в начальной стадии образования пещеры. Поэтому образующаяся галерея оказывается единственной на участке понор — дрена. Это характерно для наклонных пещер зоны нисходящей циркуляции вод (рис. 34).