Геологические и гидрогеологические наблюдения
Не будучи специалистом-геологом, спелеотурист, естественно, не в состоянии выполнить весь объем геологических и гидрогеологических наблюдений в карстовых полостях. Однако знакомство с элементами этих научных дисциплин совершенно необходимо для правильной организации и проведения поиска карстовых полостей, их исследования и, в особенности, для безаварийной работы под землей.
Напомним, что карстовым называется процесс растворения и размыва горной породы, в результате которого на ее поверхности возникают отрицательные формы рельефа (воронки, котловины), а в глубине - подземные карстовые формы (колодцы, шахты, пещеры). В отечественной литературе четко сформулированы основные условия прохождения процесса карстования в различных природных условиях: наличие растворимых (карстующихся) горных пород, их способность пропускать воду, наличие движущейся воды и ее способность растворять породу[22][1].
Карстующиеся горные породы представлены тремя главными типами отложений: карбонатными породами, сульфатными породами и солями.
Наиболее широко распространены на территории нашей страны карбонатные породы морского происхождения: известняки, доломиты, писчий мел, мраморы. Состоят они преимущественно из карбоната кальция (CaCO3), а доломит - из смеси карбоната кальция и магния (CaCO3 и MgCO3). Окраска карбонатных пород может быть разнообразной и определяется характером примесей. Чистые известняки окрашены в белый, желтоватый, серый, темно-серый цвет. Зеленоватый оттенок их свидетельствует о наличии глинистого материала или органического вещества. Бурая или красноватая окраска объясняется присутствием окисных соединений железа.
Растворимость карбонатных пород в воде сравнительно невелика (в среднем около 0,5 г на 1 л) и возрастает с увеличением содержания углекислоты в воздухе. Реакция растворения карбонатной породы:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca++ + 2HCO3-
обратима, и при испарении части воды или диффузии углекислого газа из раствора происходит отложение разнообразных натечных образований, которыми так богаты пещеры в известняках.
Сульфатные породы распространены значительно меньше карбонатных. Их формирование происходило в небольших мелководных лагунах, в которых в зависимости от температуры и состава воды в осадок выпадал ангидрит (CaSO4) или гипс (CaSO4·2H2O). Обычно в поверхностных зонах земной коры встречается гипс, хотя во многих карстовых районах (например, в Подолии) можно наблюдать переслаивание гипса и ангидрита. Переход ангидрита в гипс под влиянием водных потоков, проникающих с поверхности, вызывает увеличение объема породы до 40-60%. Это приводит к образованию многочисленных трещин и разрывов пластов, по которым позже могут закладываться всевозможные карстовые полости.
Гипс и ангидрит представляют собой обычно крупно- или мелкокристаллическую породу голубовато-серого, белого или красновато-коричневого цвета с прослоями более глинистых разновидностей. Они обладают довольно высокой растворимостью (свыше 2 г на 1 л), которая не зависит от содержания углекислоты в воздухе.
Каменная соль сложена минералом галитом (NaCl) с некоторой примесью других хлористых и сернокислых соединений, а также глинистых частиц. В пластах каменной соли часто встречаются более чистые и загрязненные примесями слойки, возникновение которых принято объяснять сезонными изменениями в условиях ее отложения. Карстовые полости небольших размеров формируются только в соляных куполах (Тигровая пещера, купол Ходжа-Мумын). Растворимость каменной соли велика (до 100 г на 1 л), поэтому пещеры и шахты в соли обычно недолговечны.
Значительно реже небольшие карстовые полости возникают в обломочных породах, состоящих из неокатанных (брекчия) или скатанных (конгломерат) обломков различных пород, скрепленных глинистым, известковым, гипсовым, железистым или кремнистым цементом. Этот вид закарстования, выделенный на Кавказе, называют иногда «кластокарстом».
Из 54 крупных пещер СССР (длиннее 0,5 км), учтенных в последней сводке Г. А. Максимовича[23][2], 39 (или 72%) заложены в карбонатных породах, 10 (или 18%) - в гипсах и ангидритах и лишь 5 (10%) - в конгломератах. Абсолютное большинство изученных колодцев и шахт сформировано в известняках. В каменной соли пока известно всего несколько полостей.
Размеры, конфигурация, морфологические особенности и богатство натечными образованиями любой карстовой полости определяются мощностью карстующихся пород, площадью, которую они занимают, их взаимоотношениями с некарстующимися породами, химическим составом и строением. Однако получить все эти данные во время самостоятельного маршрута спелеотурист, как правило, не в состоянии. Опыт показал, что спелеологу необходимы только основные навыки полевой геологической работы.
Определение основных типов карстующихся горных пород обычно не представляет трудности. Карбонатные породы определяются 10-процентной соляной кислотой, которая бурно вскипает при взаимодействии с известняком (или мрамором) в породе, а с доломитом - в порошке. Эти породы не оставляют царапин на стекле, в воде растворяются плохо. Гипсы и ангидриты не оставляют царапин на стекле, с кислотой не вскипают. На пластинке гипса ноготь оставляет царапину. Ангидрит обычно несколько более твердый. Каменная соль не оставляет царапин на стекле, легко растворяется в воде, поверхность в изломе ровная, гладкая, вкус соленый.
Желающих получить более широкие знания в этой области отсылаем к имеющимся в советской литературе определителям[24][3].
Затем необходимо определить цвет горной породы и характер ее слоистости. Спелеологу достаточно различать неслоистые (видимая слоистость в обнажении на расстоянии свыше 2 м отсутствует), толстослоистые (толщина слоя 2-0,5 м), среднеплитовые (0,5-0,3 м), тонкоплитовые (0,3-0,1 м) и листовые (0,1-0,001 м) отложения. При определении цвета надо помнить, что в геологии принято называть первым оттенок, а вторым - цвет породы (например, известняк коричневато-красный). Из каждого пласта, отличающегося по цвету, составу или толщине слагающих его слоев, необходимо при помощи скального или геологического молотка взять образец размером 6 х 10 см, снабдив его этикеткой.
Далее определяются элементы залегания пластов - простирание пород, направление и угол их падения. Для этого нужно выбрать ровную площадку на плоскости одного из пластов в обнажении и приложить к ней горный компас так, чтобы длинная сторона его заняла горизонтальное положение. Прочертив карандашом линию вдоль края дощечки, получим, линию простирания пласта, азимут которой узнаем, взяв отсчет по северному концу стрелки. На рис. 29, Б видно, что азимут простирания пласта составляет СВ 80º. Азимут падения пласта отличается от азимута простирания на 90º и определяется в сторону максимального наклона пласта. Для измерения угла наклона пласта используется клинометр, имеющийся на любом горном компасе, или обычный эклиметр. Окончательно записываются только азимут и угол падения пласта (азимут падения ЮВ 170º, угол падения 26º).
При геологических наблюдениях под землей необходимо отмечать все изменения в геологическом строении разреза, которые прослеживаются в полости. Это позволит выяснить многие закономерности ее заложения и развития. Из каждой новой встреченной в пещере (шахте) пачки пород нужно отобрать образец.
После топографической и геологической съемок необходимо обобщить эти материалы на одном чертеже. На плане, в его верхнем левом углу, выставляется условный значок, указывающий простирание и падение пород. Если направления разрезов через карстовую полость точно соответствуют направлениям падения и простирания пород, то на сечении, параллельном линии простирания породы, пласты показываются залегающими горизонтально, а на сечении, параллельном линии падения, - падающими под углом, записанным у условного знака залегания пород.
Однако значительно чаще линии разрезов и сечений карстовых полостей ориентированы под углом к линиям падения и простирания. В этом случае видимые в стенах пещеры углы падения пород всегда меньше, чем истинные, причем на тем большую величину, чем больше угол между линией простирания породы и направлением сечения отличается от прямого. Для определения угла падения в косых разрезах используются специальные таблицы. Однако для спелеотуриста значительно удобнее номограмма, приведенная на рис. 45. Видимый угол падения определяется как радиус четверти окружности, проведенный через точку пересечения прямых, соответствующих углу между линией простирания и направлением замера (32º) и истинного угла падения (47º). Читателю предлагается самостоятельно определить по номограмме углы падения пород в сечениях 1-11, 3-31, 4-41 и 5-51 на рис. 33.
Рис. 45. Номограмма для корректировки углов наклона пластов (по Ф. Лахи)
Второе условие, необходимое для развития глубинного закарстования, - наличие путей, по которым вода могла бы проникнуть в глубь горной породы. В основном такими путями служат трещины. В геологической литературе имеется много классификаций, пытающихся учесть различные сочетания трещин в пространстве. Для спелеотуриста достаточно иметь представление о трещинах двух генетических типов. Трещиноватость напластования хорошо прослеживается на границе двух смежных пластов. При слабом наклонном залегании горных пород именно по трещинам этого типа формируются поглощающие поноры и разрабатываются наклонные карстовые полости. Элементы залегания трещин напластования совпадают с залеганием горных пород.
Тектоническая трещиноватость в горной породе возникает под влиянием напряжений, проявляющихся в земной коре в процессе ее развития. Главные направления тектонических трещин района (по которым и происходит формирование большинства карстовых полостей) часто удается выяснить путем анализа нескольких сот замеров трещин на поверхности и под землей. Замер простирания вертикальных и простирания и падения наклонных трещин производится горным компасом аналогично замеру элементов залегания горных пород (см. рис.29) В дальнейшем строится роза трещиноватости района (см. рис. 42). При замерах тектонической трещиноватости необходимо фиксировать величину раскрытия (зияния) трещин в сантиметрах. Под землей замеряются все тектонические трещины и дополнительно описываются все особенности их закарстования (наличие заполнителя, натеков и пр.).
Кроме тектонических трещин, водопроводящими путями служат крупные нарушения горной породы, происходящие либо без смещения пластов (разлом), либо с их смещением (сброс, сдвиг или их комбинация). Эти важнейшие геологические явления иногда оказывают решающее влияние на развитие глубинного закарстования района, однако их изучение спелеологами-любителями, как правило, невозможно. Единственный случай, когда спелеотурист может уверенно фиксировать нарушения типа сброса, приводящие в соприкосновение толщи различных по составу пород, представлен на рис. 33.
Обычно крупные тектонические нарушения древнее, чем сформировавшиеся вдоль них карстовые полости. Однако иногда бывает, что они секут уже сформировавшиеся пещеры или шахты. Тогда одна часть их галерей оказывается смещенной по отношению к другой (пещеры Млынки в Подолии, Джур-Джур в Крыму). Такие участки необходимо детально описать, зарисовать и сфотографировать.
Третье и четвертое условия развития глубинного карста - наличие движущихся вод, способных растворять горную породу. Спелеотурист на самостоятельном маршруте чаще всего производит гидрометрические работы, т. е. определяет при топографической съемке конфигурацию, а при гидрогеологическом описании - глубину всех встретившихся ему водоемов и водотоков. Обычно бывает достаточно сделать на каждом профиле через водоем три-четыре замера глубины.
Скорость подземных потоков определяется преимущественно поплавковым способом. На подземном водотоке выбирается прямолинейный участок длиной 20-30 м. В его верхней по течению части выбирается профиль, откуда и запускаются поплавки из любого подручного плавучего материала. Время их прохождения через нижний профиль засекается по секундной стрелке. Отсюда легко получить скорость каждого поплавка (в м/сек) и среднюю поверхностную скорость потока на участке наблюдений. Следует помнить, что эти данные не относятся ко всему подземному потоку и применять их для расчета времени добегания паводка от выпадения ливневых осадков надо с большой осторожностью.
Для определения расхода подземного потока необходимо, кроме скорости потока, определить его живое сечение. Для этого на верхнем, среднем и нижнем профилях производятся промеры глубины водотока и определяется их площадь. Определение расхода (Q, м/сек) производится по формуле:
Q = 0,85 · vср · S,
где vср - средняя скорость потока в м/сек, а S - средняя площадь его живого сечения по замерам на трех профилях.
При небольших расходах подземного потока и отсутствии сформированного русла можно определить его расход объемным способом, использовав ведро, складной резиновый мешок или любую другую емкость известного объема.
Во всех водотоках и водоемах пещеры обязательно определяется температура воды. Для этого пригоден любой термометр, имеющий цену деления 0º,2. При договоренности с какой-либо научной организацией отбираются пробы воды на химический анализ.
Спелеотуристы СССР часто проводят увлекательный гидрогеологический эксперимент, имеющий важное значение для определения взаимосвязей различных частей пещер и поисков новых полостей, - окрашивание воды поверхностных и подземных водотоков. Для окрашивания обычно применяется флюоресцеин или его натриевая соль - уранин (C20H10O5Na2) - безвредный для человека, животных и растительных организмов краситель. В порошке он имеет красно-коричневый, а в растворе - интенсивно-зеленый цвет. Флюоресцеин хорошо фиксируется визуально при разбавлении 1:10 000 000. Запуск красителя производится в щелочной среде (0,5 л 20-процентной щелочи KOH, NaOH или NH4OH на ведро воды).
Количество красителя А (кг), необходимое для успешного проведения опыта, зависит от расстояния между пунктом запуска и пунктом ожидаемого выхода по прямой (l, км), расхода потока в месте запуска (q1) и в месте выхода (q2, м3/сек) и характера водотока (спокойное течение, водопады, сифоны, проточные озера). За рубежом обычно используют для расчета формулу французского спелеолога В. Лориоля: A = 0,5 l (q1 + q2). В СССР с успехом применяется более простая формула А. Коротеева: А = 0,5 l.
Нужно иметь в виду, что на солнце флюоресцеин быстро обесцвечивается, а в пещерах, богатых глинистыми и органическими отложениями, - адсорбируется. Главное неудобство работы с флюоресцеином для спелеотуриста - необходимость долго ожидать появления краски (в паводок - 1-4 суток, в межень - иногда 10-20 и более суток). Поэтому разработан удобный способ фиксирования выхода красителя, позволяющий к тому же различать его при разбавлении 1:100 000 000. В источниках или в водотоках под землей, где ожидается выход краски, под камни закладываются небольшие металлические сеточки с мешочками, наполненными активированным древесным углем. Через 2-4 дня ловушки снимаются, промываются 5-процентным раствором KOH в спирте. Раствор исследуется в ультрафиолетовых лучах, вызывающих флюоресценцию красителя.
Ценные для науки и важные для определения доступности и безопасности посещения пещер в различные сезоны наблюдения делают советские спелеологи и в сухих в момент посещения пещерах. Часто в нишах и на полках в присводовой части пещеры можно обнаружить следы уровней подземных вод в виде горизонтальных полос серого или черного цвета, примазок глины с травинками, листвой, ракушками, отложениями песка. Положение этих уровней, показывающих, до какой высоты затапливается пещера, надо тщательно замерить. А состав песка может дать ответ даже о скорости и расходе подземного потока, бушующего здесь в паводок. Для этого надо отобрать пробу песка, просеять его через специальные сита и определить средний диаметр песчинок (хорошая диаграмма для определения крупности зерен песка без просеивания приведена в «Справочнике путешественника и краеведа»). Затем по номограмме, предложенной польским спелеологом Ф. Буркхардтом, зная площадь сечения хода, через который принесен песок, можно определить вероятную скорость и расход подземного потока (рис. 46). Эта увлекательная задача с успехом решалась советскими спелеологами в пещерах Крыма, Подолии, Карпат, а также в пещерах Родоп (Болгария).
Рис. 46. График Буркхардта для определения скорости и расхода подземного потока