CC BY
24
УДК 556. 332. 46. + 551. 761. + 470. 621
РАЗВИТИЕ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ОТЛОЖЕНИЯХ ТРИАСА ЗОНЫ ПЕРЕДОВОГО ХРЕБТА МЕЖДУРЕЧЬЯ МАЛОЙ ЛАБЫ И БЕЛОЙ (СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ КАВКАЗ)
© 2005 г А. Г. Грановский, Е. В. Косоурова
The factors, the mechanism and the history of cavitation in Trias limestones of the Peredovoy range (the North-West Caucasus) have been considered. The quantitative characteristics of cave denudation have been adduced. The principal forms of cave relief (caves) have been characterized.
Изучение карста в триасовых отложениях междуречья Малой Лабы и Белой представляет большой интерес. Наличие карбонатного карста является предпосылкой для формирования месторождений минеральных, промышленных, термальных и пресных подземных вод, а также залежей углеводородного сырья (весьма перспективна в этом плане мощная толща норийских рифогенных известняков). В кавернах и пустотах этих пород могут отлагаться из гидротермальных растворов бокситы, редкие, благородные (в том числе золото и серебро) и цветные металлы, а также флюорит, барит, исландский шпат и др. Такие образования возникают в том случае, если при движении через закарстованные известняки меняются физико-химические параметры, регулирующие растворимость и отложение различных минералов. Закарстованность должна учитываться при проведении инженерно-строительных работ. И наконец изучение карста триаса Кавказа важно для установления истории геологического развития этого региона.
Район распространения триасовых отложений площадью 550 км2 расположен в пределах Передо -вого хребта в междуречье Малой Лабы и Белой, в бассейнах их притоков - рек Сахрай, Тхач, Малый и Большой Ачешбок, Бугунжи, Уруштен. В разрезе триасовых пород района преобладают известняки: индские (ятыргвартинская свита, [1]), анизийские (свита Малого Тхача), норийские (ходзинская свита). Отдельные пласты известняков имеют мощность до 250 м, а их общая мощность составляет 600-700 м. Наличие карстующихся растворимых пород - известняков -одно из необходимых условий карстовой денудации. Другими факторами являются наличие путей движения подземных вод в минеральном скелете горной породы и самих движущихся подземных вод, недосыщенных по отношению к породе и соответственно способных ее растворять. Можно выделить и четвертый фактор - это фактор времени, который влияет на сглаживание границ карстовых зон и осредняет карстовую зональность.
В роли фильтрующего пространства в нашем случае выступают разнообразные трещины, образующие зоны трещиноватости. Трещины особенно характерны для индских известняков, обнажающихся в 2 км от окраины ст. Даховской, в правом борту р. Белая. В качестве более крупного разрывного нарушения можно привести надвиг известняков Т1ап на песчаники 1111, расположенный ниже устья Ру-фабго. Кроме тектонических трещин, в известняках наблюдаются многочисленные трещины напласто-
вания. К диагенетическим трещинам относятся также сутурные и стилолитовые швы. В них можно наблюдать налеты гидроокислов железа - верный признак движения по ним воды, наличие которой и способствует карстообразованию. Третий тип - экзогенные трещины, связанные с процессами физического выветривания на поверхности известняков.
По трещинам любого генезиса в известняки попадает вода атмосферных осадков и циркулирует в различных направлениях. Это и есть третий фактор, благоприятствующий карстовой денудации. Количество выпадающих на данной территории осадков благоприятно для карстового процесса: за год их выпадает около 2000 мм, причем максимум приходится на лето - 35 % [2]. Стаивание снега в горах происходит с апреля по сентябрь.
Одну из определяющих ролей в развитии карстовых процессов играет сток. В условиях горного рельефа сток преобладает над инфильтрацией. В пределах массива Большой Тхач и окружающей его территории он преобладает и над испарением. Средняя высота этой местности составляет 1500 м. Здесь выпадает 1325 мм атмосферных осадков в год, из них на долю стока (поверхностного и подземного) приходится 1150 мм, а на долю испарения - соответственно 175 мм. Модуль минимального стока, по данным Р. К. Клиге (1964), равен примерно 10 л/(с-км2).
Дренаж вод в триасовых известняках происходит относительно быстро в силу наклонного их залегания и наличия трещин. В свою очередь увеличение скорости течения в трещинах способствует возрастанию интенсивности выноса и растворения карбоната кальция, что приводит к более быстрому расширению трещин. Трещины шириной 0,1-0,25 мм за 25 лет непрерывной фильтрации в зависимости от скорости потока могут расшириться до 5-23 мм.
Рассмотрев влияние каждого из трех факторов на карстовую денудацию, можно предположить следующий механизм карстообразования в триасовых известняках Передового хребта.
Как известно, карбонатные породы растворяются лишь в воде, содержащей свободную углекислоту или другие минеральные (ИМ03, И2804) и органические (щавелевая, муравьиная, лимонная, янтарная, уксусная и др.) кислоты, которые являются продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. При этом процесс растворения известняка в воде выражается уравнением
СаС03 + И2О + СО2 = Са2+ + 2ИСО3-
Это обобщенное уравнение процесса, а в действительности его можно выразить системой, включающей по меньшей мере шесть уравнений:
а) СаС03(тверд.) = СаС03(растворен.);
б) СаС0з(растворен.) = Са2+ + СОз2-;
в) С02(возд.) = С02(водн.);
г) С02(водн.) + Н20 = Н2С03;
д) Н2С03 = Н+ + НС03-;
е) Н+ + С032- = НС03-.
В этом взаимодействии равновесий швейцарский ученый А. Бёгли [3] выделил четыре последовательные фазы (рисунок). В первую фазу (I) известняк
растворяется в воде без участия содержащейся в ней углекислоты (уравнения а и б). Во вторую фазу (II) И+"ион угольной кислоты ассоциирует с CO32—-ионом первой фазы (уравнение е). В третью фазу (III) в угольную кислоту и ее ионы превращается растворенная в воде CO2 (уравнения г и д). Это начало цепной реакции, конечным итогом которой является дальнейшее растворение известняка. Для четвертой фазы (IV) важнейшим фактором является диффузия CO2 из воздуха в воду вплоть до наступления равновесия между углекислотой в воздухе и в насыщенном растворе бикарбоната кальция.
Ca
2+
CO3
Ca
2+
CO3
HCO3-
' I ' I ' ■'■ I
CaCO3
III
C
O^
CO3
IV
HCO3
Ca
2+
coZ
CO
Ca
У
2+
C
CO3
I I I I
111111
Ii I—I
CaCO3
CaCO3
Фазы растворения известняка
По данным Бёгли, две первые фазы проходят за 1 с, третья - за 1 мин; скорость четвертой фазы составляет в среднем около 60 ч (определяется скоростью диффузии С02). При повышении температуры все эти скорости значительно возрастают. Высокая скорость процессов в первых трех фазах определяет быстрое действие вод на известняк: в нем успевают образоваться разделенные острыми ребрами параллельные желобки - желобковые карры. Под действием процессов четвертой фазы возникают трещинные и бороздчатые карры.
При смешивании нескольких потоков подземных вод разного состава, содержащих углекислоту, минеральные и органические кислоты (например, в местах пересечения тектонических трещин), происходит увеличение агрессивности воды и усиление ее действия на известняк. При дождевых осадках действие первых трех фаз удлиняется, поскольку постоянно добавляются новые агрессивные воды.
В триасовых известняках Северо-Западного Кавказа можно наблюдать все четыре фазы карстообра-зования. Наиболее интенсивное растворение извест-
няков происходит в поверхностных слоях, где карстовые воды богаты С02, получаемого ими из приземного и почвенного воздуха. По мере продвижения внутрь толщи известняков интенсивность химического растворения уменьшается, но не прекращается полностью. В зоне сезонного колебания вода пополняется С02 пещерного воздуха, вырабатываемого бактериями. Об этом свидетельствуют продукты растворения карбоната кальция - сталактиты и сталагмиты, образующиеся в карстовых полостях на большой глубине. Здесь также происходит смешивание различных потоков подземных вод, приводящее к увеличению химической агрессивности воды и усилению карстовых процессов. Для зоны полного насыщения характерна механическая эрозия с общей тенденцией затухания карста с глубиной.
Количественное значение современной карстовой денудации в карбонатных породах триаса Передового хребта подсчитано по двум методам: Н. В. Родионова (1949) и Ж. Корбеля (1959) [3]. Сущность первого метода можно выразить формулой
I
3
V
А = —100 %
V ,
где А - скорость карстового процесса; V - объем растворенной породы, выносимый за определенный отрезок времени (определяется по среднему химическому составу вод источников); V - общий объем карстующихся пород этого района. По методу Ж. Корбеля, скорость денудации в известняках вычисляется по формуле: 4 ЕТп
X = ■
100 '
где Е - высота слоя стекающей воды, дм; Т - содержание СаС03, мг/л; X - величина денудации, м3/г, что соответствует толщине слоя снесенного
вещества, мм/тысячелетие; 1 - часть бассейна, зап
нятая известняками. Аналогичная формула есть и для подземной денудации. Для триасовых известняков междуречья Малой Лабы и Белой получены следующие значения: по методу Н. В. Родионова 0,5 %, по методу Ж. Корбеля 206,4 м3/(год- км2), или 206,4 мм/тысячелетие [3].
Карстовые процессы выражаются формированием различных полостей в глубине массива и отрицательных форм рельефа на поверхности: карры, карстовые воронки, карстовые котловины, колодцы, закарстованные тектонические трещины, пещеры, останцы. Наиболее интересными являются пещеры всех спелеоциклов. В исследуемом районе они широко распространены на всех гипсометрических уровнях. Наиболее благоприятны для их образования породы норийского яруса, сложенные в основном химически чистыми (93-95 % кальцита) красноватыми известняками, а также горизонт Малого Тхача (оленекский ярус). Пещеры приурочены к различным горизонтальным и вертикальным трещинам, а также к пересечениям трещиноватых зон.
Многие из пещер труднодоступны для изучения, так как входы в них располагаются в отвесных скалах на значительных высотах от тропы, дороги или уреза воды рек. Несмотря на это, открыто довольно много пещер, из которых наиболее известны пещеры «Ход в преисподнюю», Амбицукова, Людмили-на, Камышовая, Ледяная, Меандра. Последняя из перечисленных - Меандра - представляет собой неразрешимую задачу для спелеологов, так как полости ее многократно равномерно «меандрируют», как бы изгибаясь по синусоиде. Механизм возникнове-
ния такой своеобразной формы неизвестен. Существует гипотеза [2], что внутри массивных известняков горизонта Малого Тхача, к которым приурочена данная пещера, встречаются окремненные желвако-подобные тела сферической формы. Образование тектонической трещины происходило в породах по линиям наименьшего сопротивления. Она обходила более твердые окремненные стяжения, как бы извиваясь между ними. Позже эта трещина расширилась, и образовалась пещера Меандра.
Интенсивное карстообразование в триасовых известняках данного района началось после формирования антиклинальных структур Передового хребта, которые образовались в результате предкелловей-ского орогенеза в конце средней юры. В процессе орогенеза толщи известняков были разбиты крупными трещинами. Это способствовало проникновению вод в толщу известняков и началу карстовых процессов. Современный карст образовался в эпоху континентального режима, начавшуюся с позднего палеогена и продолжающуюся до настоящего времени.
В данной работе рассмотрены основные факторы карстообразования и особенности протекания карстовых процессов в зоне Передового хребта под действием этих факторов. Приведены количественные значения карстовой денудации для триасовых известняков. Кратко охарактеризованы главные формы карстового рельефа (пещеры) и установлена в общих чертах история карстообразования. Все эти аспекты очень важны для решения многих вопросов, в том числе для поисков залежей нефти, газа, различных типов подземных вод; проявлений золота, бокситов и других полезных ископаемых, а также для решения инженерных задач и спелеологических исследований. Можно согласиться с мнением исследователя А. А. Остапенко [4], что карст триасовых отложений Передового хребта еще способен порадовать ученых новыми открытиями.
Литература
1. Безносое Н. В., Ефимова Н. А. Стратиграфия триаса Северо-Западного Кавказа. М., 1979.
2. Костин П. А. Карст Передового хребта и полосы куэст Северо-Западного Кавказа. М., 1966.
3. Карст в карбонатных породах / Под ред. А. Г. Чикишева. М., 1972.
4. Остапенко А. А. Пещеры массива Тхач // Спелеология в России. Вып. 1. М., 1998.
Ростовский государственный университет
24 июля 2004 г
