"Как образуются пещеры?" — этот вопрос для меня был всегда самым интересным в спелеологии. Работая в той или иной пещере, я всегда пытался ответить на него. Иногда я получал как будто правдоподобный ответ, но чаще всего он меня не устраивал. Чувствовалось, что не хватает знаний. Это легко поправить. Вот наиболее солидные монографии Д. С. Соколова (27), Г. А. Максимовича (16), Н. А. Гвоздецкого (8). В них обобщены все сколько-нибудь значительные представления по карсту и спелеологии. Как же отвечает наука на мой вопрос?
Чтобы начались карстовый процесс и образование пещеры, необходимы четыре условия: наличие горных пород, которые могут растворяться, их водопроницаемость, наличие под землей движущейся воды и сохранение ею растворяющей способности.
Карстовый процесс и образование пещер идут лишь в водопроницаемых горных породах, которые могут растворяться, конечно, если есть подземные воды, способные растворить их.
Пород, растворимых в воде, в природе немного. Но встречаются они довольно часто. Это карбонатные (известняки, доломиты, писчий мел, мрамор), сульфатные (гипс, ангидрит) и хлоридные породы (карналлит, ольвин, сильвинит и др.). Способность их растворяться в воде очень различна. В одном литре чистой воды при обычной температуре может раствориться 320 г каменной соли, 2,1 г гипса и 0,015 г кальцита — основного минерала известняка.
Но одной только растворимости пород недостаточно, чтобы образовалась пещера. Нужно, чтобы вода могла проникать в глубь массива по трещинам. Карстоведы выделяют четыре основных типа трещин: литогенетические, тектонические, трещины разгрузки и выветривания.
Литогенетические трещины образуются при превращении рыхлых известковых осадков, накапливающихся на морском дне, в горную породу. Со временем происходит их уплотнение, вода по порам выдавливается вверх. Но силы трения препятствуют усадке слоя пород, я происходит их растрескивание.
Тектонические трещины возникают при горообразовательных движениях земной коры. Водопроницаемость тектонических трещин очень мала, но выше, чем у литогенетнческих.
Трещины разгрузки и выветривания не играют существенной роли в пещерообразовании, и мы о них говорить не будем.
В карстовые полости трещины превращаются благодаря движению по ним подземных вод.
Подземный путь воды начинается на поверхности, в поноре. Понором может быть зияющее отверстие входа в пещеру или русло реки, которое отводит часть воды в подрусловые пустоты, или, наконец, карстовая воронка, сквозь почву которой в трещины породы просачивается дождевая и талая вода. В первых двух случаях имеет место инфлюационный тип питания подземной реки (инфлюация — вливание), в третьем — инфильтрационный. Выходят подземные воды на поверхность в виде источника близ дрены. Дреной может бить берег или дно реки или моря.
Скорость карстового процесса в глубине массива зависит от агрессивности воды, то есть ее растворяющей способности. Вода постепенно насыщается солью и в конце концов теряет свою агрессивность. Особенно быстро этот процесс завершается в узких трещинах. Теоретические расчеты гидрогеологов показывают, что вода, фильтрующаяся по трещинам в глубь массива, полностью насыщается уже на первых десятках метров и далее движется неагрессивной. Она не может растворять породу на стенках трещин в глубине массива, и, следовательно, карстовые полости там вообще образовываться не должны. И все же пещеры образуются, причем вопреки теории возникают иногда на глубине сотен метров от поверхности и на удалении многих километров от мест поглощения поверхностных потоков. В чем же причина этого противоречия?
В литературе есть попытки ответить на этот вопрос.
Но как объяснить, почему пещера имеет именно такое строение и как оно зависит от окружающей обстановки? Мы попытались решить этот вопрос самостоятельно.
Классификация пещер
Спелеологи знают, как удивительно разнообразны пещеры. А объясняется это различием геологических и климатических условий их образования. И все же многие пещеры схожи между собой по очертаниям, по характеру отложений. Это позволяет навести некоторый порядок в огромном спелеологическом материале — классифицировать его и попытаться объяснить форму полостей.
Известна морфогенетическая классификация карстовых полостей профессора В. Н. Дублянского и Ю. И. Шутова (9). Наша классификация (таблица) расширяет ее. Все полости разбиваются на два типа, различающихся прежде всего скоростью движения подземных вод. Для одних характерно быстрое движение вод, доходящее до 10-1000 м/ч и более. Это полости речного типа. По их галереям текут создавшие их подземные реки. Они возникают тогда, когда даже на ранней стадии развития карстовой системы пропускная способность понора и подземных пустот выше, чем расход воды в поверхностном ручье или реке. Чаще всего это бывает при небольшом расходе воды поверхностного водотока или при больших скоростях движения подземных вод, когда перепад высот понора к дрены значительный. Это чаще всего характерно для горных районов. В карстовые полости речного типа превращаются лишь небольшие участки отдельных трещин, участвующих в их образовании.