Карст — сложный геологический процесс, в котором в зависимости от условий среды участвуют различные элементарные процессы

Движущей силой карстового процесса является водообмен. Сущностью карстового процесса и важнейшим и уникальным свойством карстовых водообменных систем является прогрессирующее возрастание проницаемости пород и пространственной неоднородности и анизотропии емкостных и фильтрационных свойств карстовых коллекторов в результате активной циркуляции вод в растворимых породах и сопутствующего спелеогенеза. В результате развития карста происходит интенсификация водообмена и кардинальное изменение его структуры, а формируемая огромная пространственная неоднородность емкостных и фильтрационных свойств приводит к многоуровенности фильтрационной среды, к которой неприменимо допущение об условной сплошности.

Резкое возрастание структурной неоднородности геологической среды и неоднородности фильтрационных и физико-механических свойств пород в ходе карстогенной эволюции является главной причиной высокой чувствительности природных систем в карстовых регионах к различного рода антропогенным воздействиям и причиной возникновения разнообразных и острых геоэкологических проблем. Специфика природных условий и процессов в карстовых регионах требует особых подходов к природопользованию и охране геологической среды, в частности — к оценке уязвимости подземных вод. Особенности развития карста и его геолого-экологическая роли существенно различаются в различных типах карста.

1.1.. Проблема типологии карста сложна и многогранна, ей посвящена обширная литература. Оставляя за рамками данной работы ее всесторонний обзор, отметим несколько важных линий в развитии подходов к типологии карста. Б. Н. Иванов (1956) и И. Г. Глухов (1961) подчеркивали важность с точки зрения формирования подземных вод и развития карста наличия или отсутствия, а также проницаемости, некарстующегося покрова над растворимыми породами, предложив выделять в качестве основных типов карст открытый (покров отсутствует), полуоткрытый (присутствует проницаемый покров) и закрытый (присутствует слабопроницаемый покров). Б. Н. Иванов (1956) впервые высказал идею о придании этим типам эволюционного значения, рассматривая их как стадии развития карста на фоне восходящих неотектонических движений и геоморфологической эволюции. В работах Дж. Квинлана (Quinlan, 1978) и Р. А. Цыкина (1990) разграничивается типологическая роль покровных толщ разного по отношению к карсту возраста: карст, сформированный до образования покрова и им перекрытый (палеокарст) и карст, сформированный после образования и при наличии покрова (собственно глубинный карст). Все эти идеи легли в основу схемы эволюционной типологии карста, разработанной Климчуком (Klimchouk, 1996) и Климчуком и Фордом (Klimchouk, Ford, 2000), рассматривающей типы карста в контексте общей геолого-геоморфологической эволюции и гидрогеологического цикла. В настоящее работе используются следующие критерии выделения основных типов карста по отношению к покровным отложениям:

В закрытом карсте процесс на поверхности не выражен, за исключением отдельных провальных форм, но может интенсивно развиваться под покровом с образованием полостей и карстовой проницаемости. В полуоткрытом карсте (к нему относятся также территории со слабопроницаемым покровом, частично вскрытым эрозией) процесс выражен на поверхности в виде провальных и поглощающих форм. В открытом карсте некарстующийся покров отсутствует (за исключением почвенного) и на растворимых породах развиваются полноценные карстовые ландшафты. Характерной особенностью карстовых ландшафтов в открытом и полуоткрытом карсте является преобладание замкнутых форм, а также недоразвитость эрозионных систем и гидросети ввиду развитого дренирования подземными системами стока.

Факторы и процессы карстообразования в закрытых гидрогеологических структурах существенно отличны от таковых в гидрогеологически открытых обстановках, тогда как полуоткрытые структуры являются переходными от закрытого карста к открытому. Районы открытого и закрытого карста характеризуются принципиально различными условиями питания и гидродинамическими профилями. В открытом карсте присутствуют все гидродинамические зоны, тогда как в закрытом карсте часто представлена только одна зона — полного насыщения, ее подзона напорных вод .

Кардинальные отличия в условиях питания и циркуляции подземных вод в закрытых и открытых условиях выражаются в формировании основных соответствующих генетических типов карста (спелеогенеза), различаемых в последние годы — гипогенного и эпигенного. Гипогенные и эпигенные карстовые системы связаны с разными типами и сегментами региональных водообменных систем и, соответственно, формируются в различных гидродинамических, гидрохимических и термальных условиях.

Гипогенный карст формируется в условиях напорных водоносных комплексов за счет питания растворимых толщ подземными водами, поступающими преимущественно снизу от подстилающих пород. Он генетически не связан с поверхностью и поверхностым питанием и может развиваться на различных, в т. ч. значительных (до 1000 м и более) глубинах. При раскрытии гидрогеологических структур и выведении гипогенного карста в неглубокое залегание (безнапорные, сдренированные условия) он становится реликтовым. Гипогенные формы в условиях неглубокого залегания могут отчасти наследоваться и перерабатываться эпигенным карстообразованием. В гипогенном спелеогенезе действуют механизмы подавления обратной связи между расходом и скоростью роста каналов, т. е. подавляется тенденция к избирательному развития каналов, характерная для эпигенного спелеогенеза. При наличии соответствующих структурных предпосылок это приводит к формированию первазийной пустотности. Карстовая пустотность гипогенного происхождения может намного превышать таковую в гидрогеологически открытом карсте (примерно в 5 раз в плане и на порядок в объеме), но закарстованные площади обычно имеют кластерное распределение. Основная гидрогеологическая роль гипогенного спелеогенеза состоит в развитии (усилении) вертикальной гидравлической связности горизонтов в слоистых водонапорных системах.

Эпигенный карст формируется в открытых (безнапорных) гидрогеологических условиях, в непосредственной генетической связи с поверхностью и поверхностым питанием, концентрированность которого возрастает в ходе эволюции карстового рельефа. Эпигенный спелеогенез приводит к развитию преимущественно древовидных полостных структур, обеспечивающих возрастание концентрации стока в направлении гидравлического градиента. Проницаемость закарстованных пород отличается крайне высокой неоднородностью и анизотропией. Типичные каналовые системы эпигенного происхождения демонстрируют невысокую площадную плотностью (в среднем 16 км/км2) и небольшие площадные (6,4%) и объемные (0,4%) показатели карстовой пустотности, но проводят практически весь сток, часто на большие расстояния (Климчук, 2008). В зрелых карстовых системах средние скорости карстовых вод измеряются сотнями и тысячами м/сутки, а движение вод почти всегда турбулентно. Режим источников отличается большими вариациями расходов.

Различные типы карста часто образуют смежные зоны, положение и развитие которых контролируется дифференцированными неотектоническими движениями. Типичным примером является гипсовый карст юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы (Западной Украины), где зоны полуоткрытого сденированного карста, полуоткрытого обводненного карста и закрытого карста сменяют друг друга в направлении от внутренних частей платформы к Предкарпатскому прогибу (рис. 1.1 и 1.2).

Рис. 1.1. Зоны развития различных типов карста в неогеновых карбонатно-сульфатных отложениях в пределах юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы (по Климчуку, 1999). I-я зона = открытый и полуоткрытый сдренированный карст в подгипсовых отложениях; II-я зона = полуоткрытый сдренированный карст; III-я зона = полуоткрытый обводненный карст; IV-я зона = закрытый (гипогенный, артезианский) карст.

Рис. 1.2. Геолого-карстологический профиль юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы. Номенклатура зон соответствует рис. 1.1 (по Климчуку, Андрейчуку, 1984).

1.2.. Карстовый процесс начинается с проникновения воды в трещину, постепенного растворения породы и образования подземной полости, а также небольших воронок над трещинами и полостями. В середине такой воронки есть отверстие — понор, через которое вода просачивается вниз. Разрастаясь, воронки сливаются, и возникают котловины. Рыхлые породы под полостями проседают и со временем обрушиваются. Теперь полости выглядят как провалы, которые, сливаясь, создают замкнутые бессточные котловины — полья. Обрамляют котловины останцы некогда сплошного карбонатного массива.

Карстовые явления широко распространены по всей планете. Встречаются они и в горах (например, в Доломитовых Альпах, горах Балканского полуострова, на Динарском нагорье — прим. от geoglobus.ru), и на равнинах (например, на Великих Американских равнинах, на Русской и Туранской равнинах).

Рис. 1.3 Начало карстового процесса

Рис. 1.4 Развитие карстового процесса

Наиболее эффектны формы карстового рельефа в жарких влажных тропиках. Тропический карст в Южном Китае, во Вьетнаме, Таиланде называют «башенным» — это останцовые горы в виде башен, столбов, пик, конусов, покрытые тропическим лесом. В тропических карстовых котловинах расположены живописные озёра и морские заливы.

Карст на острове Куба носит название моготе. Так по-испански называют крутостенные конические и куполообразные останцы известнякового массива. В основании моготе образуются ниши и небольшие гроты, где после тропических ливней скапливается вода. В Пуэрто-Рико карстовые останцы называют «пепино» — по-испански «огурец», что указывает на их коническую форму.

Рис. 1.5 Формы карстового рельефа в результате развития карстообразования.

Рис. 1.6 Останцовые горы в виде башен и столбов — результат карстового процесса.

Каспии, побережье Кипра и т. д., то на земной поверхности и склонах образуются полукруглые лунки, создающие причудливый кружевной узор. Ходить по такому участку непросто — острые края лунок могут поранить ноги, порвать лёгкую обувь. У уреза воды нередко возникают гроты, ниши, являющиеся входами в подводные пещеры. В этих местах карстовые процессы усиливаются действием прибоя.

Для развития карста благоприятно обилие осадков, в том числе и ливневых, а также влажный климат. Однако в последние столетия человек тоже вносит свою видимую лепту в развитие карста. Сейчас склоны Динарского нагорья — белёсые и каменистые, покрытые кустарником, переходящим у подножий в редкие леса. Еще в XV—XVI вв.еках эти склоны были покрыты густыми лесами с пышной средиземноморской растительностью, но их частично вырубили для строительства флота, значительные лесные массивы пострадали от пожаров и были сведены выпасом скота. Так склоны оказались не защищенными от снега и дождей, что привело к активизации карстовых процессов.

Но самыми известными, впечатляющими и загадочными формами карстовых процессов являются пещеры.