Уральские пещеры - [43]

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.

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.