Материал: Карстові морфоскульптури

Зазначені форми поверхневого карсту, їхня морфологія та механізм утворення вказують на тісний зв’язок з формами закритого карсту в наслідок 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, відбувається підземне винесення розчинених порід і формування порожнин. Проте механізм закритого карсту має свої особливості[1].

2.1 Закритий карст

Проміжними морфоскульптурами між голим і закритим карстом є вертикальні карстові канали (понори, шахти, колодязі тощо), які живлять поверхневими водами підземні порожнини і забезпечують процес вилуговування у глибині осадових товщ схильних до карстування, тобто у карстовому масиві[1].

Для того щоб відбувся процес закритого карсту. Необхідною 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 надходження 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[5].

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 нерозчинених осадових порід частина поверхневого стоку витрачається на стікання, а інфільтрація поверхневого стоку відбувається значно повільніше і рівномір ніше.

Верхня межа зони карстового масиву - зони постійного повного насичення збігається з рівнем найнижчого стояння підземних вод, а нижня - належить до поверхні водотривких порід - повного 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, в наслідок чого утворюється так званий морський прибережний вир) тощо[1].

У наслідок 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 вол по покрівлі водотривких шарів) або вертикальними шахтами, колодязями, підземними понорами ( за напрямами зруйнованих водотривких порід, у наслідок давніх ерозійних процесів, розлом них 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 рівнобедреного трикутника з основою, що збігається з напрямом розміщення водотривкого шару. Саме біля основи печери найінтенсивніше 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 у наслідок 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 крапі інфільтрованих поверхневих вод, що мають достатню концентрацію розчинених порід карстового масиву. Це спричинює формування екзотичних підземних морфоскульптур - сталактитів і сталагмітів[2].

Розчинений у воді гідрогенкарбонат кальцію здатний легко розщеплюватися на вуглекислий газ і гідрогенкарбонат. Вуглекислий газ при цьому зазвичай виділяється у повітря. Розкладання гідрогенкарбонату 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,

Рис. 6. Схематичний розріз карстової печери (за Р. Кеттнером): 1 - сталактити; 2 - сталагміти; 3 - сталагмати.

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 утворенні є натічними травертиновими терасами). Подібні процеси відбуваються і під час утворення оолітових вапняків у відкритих джерелах (Рис. 6)

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 утілення 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 с поверхні, або утвореним у наслідок обвалювання склепінь печер, підземні води можуть прокладати собі нові канали залишивши старі без води. Так виникають численні сухі печери зі слідами наносів на дні каналів - свідками колишнього інтенсивного руху підземних вод[5].

Печери часто утворюють складну систему відносно вузьких каналів і просторих розширень - залів які мають численні відгалуження, змінюють напрям і часто розміщуються на різних рівнях у кілька поверхів. Це відбувається переважно за умов висхідного розвитку рельєфу, значної потужності вапнякових товщ, певного порушення геологічної структури відкладів (наявність моноклінальної вертикальної складчастої розломної структур). 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 розпалається на систему вузьких тріщин і каналів, крізь які важко проникнути. Це - сліпі, або мішкоподібні, печери. В інших випадках печери відкриваються назовні двома або кількома виходами, розміщеними на протилежних кінцях, це - прохідні печери.

Рельєф карстових областей відзначається своєрідністю будова річкових долин. Оскільки більшу частину року у межах карстових масивів поверхневий стік перетворюється на підземний (за наявності тріщин і понор),то річкові долини, що починаються тут, неглибокі та слабко розроблені, тому що вода заповнює їхні русло 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[7].

Рис. 7. Замкнені карстові долини (за J. Kunsky. 1960):

а - сліпа (тупикова); б - напівсліпа.

Рис. взятий із «Гвоздецкий Н. А. Карст, Москва. 1981»

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 Рис. 7.закінчується тупаком, тобто не з’єднується з іншими річковими долинами,

озерами чи будь-якими іншими зниженнями (Рис.7.). Водний потік перетворюється на підземний, і річка, що протікає по сліпій долині, надалі продовжує свій рух системою підземних порожнини.

На склепіннях, днищах і стінах багатьох печер є різноманітні натічні утворення з вапняка. Зі стелі печер звисають вертикальні вузькі та довгі утвори, що нагадують водяні бурульки. Еволюція натічно-крапельних

Рис. 8. Химерні форми натічно-крапельних утворень у печері Фразассі в Італії.

утворів залежить від притоку води до печери. Під час переходу з карстової товщі до порожнини печери спочатку розвиваються напливи на її днищі - гурії, потім -сталагміти з широкою основою і звуженою вершиною, що нагадує слабкодеформовані колони. Якщо протік води зменшується до 0,1 - 0,01м3/с, утворюються сталактити, а за подальшого зниження притоку вод, що містить значну кількість розчинних порід, - ексцентричні сталактити. На однаковій стадії розвитку у різних частинах порожнини печери спостерігаються різний приток води, внаслідок чого виникають різні, часто химерні форми натічно-крапельних утворень (Рис. 8).

Більшість карстових печер утворюються 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 обвалення породи, особливо на зрілих стадіях розроблення печерних порожнини. Деякі печери виникли під впливом термальних і мінеральних вод. Печерні порожнини так званого рудного карсту утворилися в наслідок дії на вапняк сульфатних розчинів, що виникають під час окиснення піриту та інших сульфатів. 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[2].

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 морфологічними особливостями, виокремлюють три типи печер (І. Щукін, 1964): 1) печери, відкриті з обох боків - 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»; 3) «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 льодових мас у вигляді чудернацьких форм, інею та химерних льодових кристалів на їх стінах. Улітку зовнішнє тепле повітря не здатне витиснути холодне і щільне повітря зпечери, 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. 9). Найвідомішою із холодних печер є Кунгурська, розміщена у Передураллі.   

Рис. 9. Фрагмент інтер’єру Добшинської льодовитої печери (Словаччина).

Із появою людини печери використовуються як схованки від негоди, а в районах із суворим кліматом - як постійне житло. Тому ними дуже цікавляться археологи, оскільки багато з них зберегли сліди перебування первісної людини (додаток 1). У деяких печерах, стіни які 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[6].

.3 Найвідоміші карстові масиви в Україні

До них належать - Придністров’я, Кримські гори та Причорномор’я, деякою мірою - Донбас, Карпати і Закарпаття. Так, у гіпсових відкладах Придністровського Поділля і Буковини поширені скрадні лабіринти печер, розроблені згідно із системою тріщин і розломів, які взаємно перетинаються. Це найбільші з гіпсових печер світу ( додаток 2). 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 за сумарною довжиною проходів посідає четверте місце. Інші великі печери - Золушка (40 км), Кришталева-Кривченська (22 км), Млинки (15,1 км), Вертеба (7,8 км)[5].

Значна кількість карстових порожнин у цьому регіоні зумовлена поширення рифових вапняків сарматських морів - так званих Подільських Тавр.

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[5].