Уральские пещеры - [44]

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).

Мы не пытались описать все возможные типы пещер и шахт, образующихся в различных условиях. Задача была более скромной — объяснить основные черты карстовых полостей. Не следует думать, что описанные здесь схемы можно точно приложить ко всем наблюдаемым на практике случаям. Они соответствуют идеальным, "теоретическим" пещерам, сконструированным упрощенно. Так, например, мы предположили, что все каналы одинаковы, а образовавшие их трещины бесконечной длины и глубины. Поэтому в любой из реальных пещер и шахт мы можем столкнуться с какими-то усложнениями. И все же поразительное совпадение следствий из модели зарождения пещер со спелеологическими наблюдениями оставляет мало сомнений в справедливости ее положений. С помощью этой модели удалось ответить на ряд не решенных до сих пор вопросов: почему в шахтах образуются колодцы и их каскады, почему возникают восходящие напорные источники, почему меняют направления пещерные галереи. Возникает, однако, новый вопрос, связанный с основным положением модели: почему расширяются не сами трещины, а только каналы на их пересечении? Достоверного ответа пока нет. Может быть, дело здесь в размерах этих нарушений. Другое возможное объяснение заключается в том, что растворимость известняка на ребре блока выше, чем на его грани. Можно также полагать, что канал образуется благодаря коррозии смешивания. Ясно, что этот вопрос требует дальнейшего изучения.

Значение канальной концепции образования пещер выходит за рамки спелеологии. Ее можно применять при изучении минеральных и термальных источников, а также некоторых типов рудных тел.

Как влияют подземные воды в карбонатных породах на объем пещер

Потоки подземных рек питаются в основном или просачивающимися (инфильтрационными), или втекающими (инфлюационными) водами. Автором совместно с В. И. Мартиным установлено важное различие в их свойствах.

У инфильтрационного питания "рассеянный" характер. Подземная река такого происхождения имеет огромное количество мелких притоков. В одной точке притока расход составляет 10^-3 л/с и менее. Расход и скорость воды так малы, что она насыщается бикарбонатом уже на первых метрах своего пути и в пещеру попадает уже неагрессивной. Скорость насыщения воды солью удобно характеризовать градиентом минерализации — величиной приращения концентрации соли в воде при прохождении ею определенного пути. Для инфильтрационных вод градиент минерализации достигает величин порядка 10