Введение:

Актуальность:

Ключевым изучаемым понятием данной курсовой является карст. В настоящее время, с развитием науки, появилось больше возможностей для изучения карстового процесса, а также понимание о его широком распространении. По данным Г.А.Максимовича, карстующиеся породы занимают примерно 50 млн. кв. км, что соответствует третьей части суши. Карст – сфера интересов карстоведения, пещероведения и спелеологии, а значит и широкого спектра наук, представляющих эти направления: геология, гидрогеология, геоморфология, ландшафтоведение, климатология, почвоведение, ботаника, палеогеография, антропология, медицина. Это обусловлено влиянием карста на рельеф территории, ландшафт, водные потоки, почвенный слой, хозяйственную деятельность и условия жизнедеятельности биоты и человека. Кроме того, карстовые формы являются удивительными геологическими памятниками природы.

Мне довелось видеть подобные памятники природы в Крыму – Скельскую пещеру, Эмине-Баир-Хосар – и всегда поражалась величию пещер и многообразию натечных образований в них. Наконец, мне представилась возможность более полно изучить механизмы и особенности процессов, обуславливающих образование таких форм, поэтому я выбрала именно эту тему.

Цель:

Изучение формирования натечных образований в результате карстовых процессов

Задачи:

1. Изучить условия развития карстового процесса и типы карста

2. Рассмотреть основные карстовые формы

3. Изучить химический (минеральный) состав натёчных образований

4. Изучить механизм образования в результате карстования

5. Развитие карстовых форм в пещерах основных литологических типов

6. Рассмотреть особенности пещерных натёчных образований

7. Изучить типы натёчных образований

8. Изучить факторы, обуславливающие образование различных типов натёков

Структура работы: общее количество страниц – 30; таблицы – 6, рисунки – 38; количество литературных источников – 36.

Глава 1.Карст как эрозионно-аккумулятивный геологический процесс

Карст – совокупность процессов растворения или выщелачивания горных пород, обусловленных деятельностью поверхностных и подземных вод с образованием различных форм рельефа при условии, что горные породы подвержены растворению.

Карстовые явления развиваются во всех растворимых водами горных породах, таких как: известняки, доломиты, гипсы, каменная и другие соли. Ключевыми факторами их развития являются химический (процесс растворения под действием водных потоков) и геологический (процесс выноса вещества из породы) процессы.

Карст – эрозионно-аккумулятивный процесс: с одной стороны, происходит разрушение карстующихся пород в результате химического и механического воздействия подземных и поверхностных водных потоков, а с другой происходит аккумуляция продуктов разрушения. Промежуточная, соединяющая стадия – перенос растворенных веществ карстовыми водами. При разрушительных процессах образуются различные по виду и размерам скульптурные формы карста.

Таблица 1

Гидродинамические зоны карста	Небольшие формы (микроформы)	Формы среднего размера (мезоформы)	Большие формы (макроформы)
Поверхностной циркуляции	Карстовые борозды и углубления (карры)	Карстовые ложбины	Эрозионно-карстовые овраги
Вертикальной нисходящей циркуляции (аэрации)	Поноры различной формы	Карстовые воронки: корозионно-эрозионные, корозионно-оползневые, корозионно-суффозионные, корозионно-просадочные, корозионно-провальные	Карстовые шахты, карстовые вертикальные котловины, коррозионные полья
	Ребристые поверхности и другие формы: борозды, ячеи на стенах вертикальных и наклонных карстовых форм	Карстовые колодцы, органные трубы (слепые колодцы пещер)
Подзона подвешенных вод	Малые формы подземного выщелачивания	Карстовые каналы, пещеры, провальные воронки и другие
Переходная и горизонтальной циркуляции	Малые формы подземного выщелачивания в щелях, каналах, пещерах (губчатые, раковистые, и др.), расширенные трещины, каверны	Провальные карстовые воронки, горизонтальные пещеры, их каналы и гроты, природные мосты, арки	Полья, образованные провалами свода пещерных рек
Сифонной циркуляции	Малые формы подземного выщелачивания	Воронки в устьях восходящих источников, каналы и другие формы
Поддолинной (подрусловой) циркуляции	Малые формы подземного выщелачивания и эрозии	Воронки в месте поглощения и выхода карстовых вод, каналы и другие формы
Глубинной циркуляции	Карстовые каверны

Г.А.Максимович разделил отрицательные скульптурные формы по принадлежности к гидродинамическим зонам и величине (Таблица 1).

Говоря о схеме или классификации, следует понимать, что почти каждое деление довольно условно. Так, например, провальные карстовые воронки формируются при обрушении сводов крупных карстовых полостей в зоне горизонтальной циркуляции вод, однако большей частью они отнесены к зоне вертикальной циркуляции.

Карстовые процессы приводят к появлению аккумулятивных образований, происхождение и состав которых весьма разнообразны. Условно их можно разделить на две группы. Первая включает в себя продукты, образованные карстующимися породами при их химическом или механическом разрушении – автохтонные образования. Вторая группа состоит из аллохтонных продуктов – заполнения отрицательных карстовых форм за счет поступления с потоками воды аллювиальных, делювиальных, органогенных, антропогенных, гидротермальных образований, а также льда, который заполняет пещеры.

Таблица 2

Гидродинамические зоны карста	Автохтонные образования		Аллохтонные образования
	химические	механические
Поверхностной циркуляции	нерастворимый остаток карстующихся пород, выполняющий трещины, борозды	Карстовый щебень (каровые камни), выполняющий карстовые ложбины, овраги	Делювиальные, аллювиальные, органогенные и другие отложения, выполняющие поверхностные карстовые углубления
Вертикальной нисходящей циркуляции (аэрации)	Нерастворимый остаток в карстовых воронках, колодцах, шахтах, вертикальных пещерах	Каменные осыпи на дне карстовых воронок, колодцев, шахт, вертикальных пещер в результате обрушения стенок	Обломочный и органогенный материал, принесенный в карстовые воронки, колодцы и вертикальные пещеры
Переходная и горизонтальной циркуляции	Капельники верхние (сталактиты), нижние (сталагмиты), колонны и другие натечные формы, оолиты, конкреции, кристаллы, карстовые пленки озер и нерастворимы осадок (элювиальная глина) пещер	Каменные осыпи в результате обрушения стен и сводов карстовых полостей. Гипсовая и известковая галька пещерных рек	Обломочный и органогенный материал, принесенный с поверхности через карстовые воронки, поноры и органные трубы. Органические и культурные остатки, лед, минералы различного происхождения, выполняющие карстовые пустоты этой зоны
Сифонной циркуляции		Продукты обрушения кровли сифонных каналов, частично окатанные	Галька, песок, глина и другие образования, принесенные с поверхности через карстовые воронки и поноры
Поддолинной (подрусловой) циркуляции		Известковая и гипсовая галька потоков	Галька, гравий, песок, глина и другие продукты, принесенные через воронки, поноры и др. каналы, постепенно заполняющие поддолинные полости
Глубинной циркуляции	Кристаллы кальцита в кавернах

Существует также таблица классификации аккумулятивных образований по гидродинамическим зонам. Здесь рассматриваются в основном отложения и осадки недавнего геологического прошлого (Таблица 2).

1.1. Условия развития процесса

Одно изключевых условий, обуславливающих развитие карста - водопроницаемость. Она может быть вызвана следующими структурными особенностями горной породы:

Трещиноватость

Пористость и кавернозность

Совокупное воздействие трещиноватости и кавернозности

1.В процессе образования карста принимает активное участие выветривание, так как даже не имеющие водопроницаемости горные породы, попадая в зону выветривания, по большей части становятся трещиноватыми. Трещины позволяют воде или атмосферному воздуху проникнуть к растворимым породам, запуская химические и минералогические процессы.

Образование трещиноватости не имеет ограничений во времени – этот процесс протекает на протяжении всей жизни породы. По происхождению трещины подразделяются на:

Первичные (литогенетические)

Тектонические

Трещины в зоне выветривания

Первичные трещины возникают на стадии превращения осадков в горные породы (в осадочных породах). Образование характеризуется удалением воды и, следовательно, уменьшением влажности, пористости и уплотнением текстуры. На большой глубине осадки превращаются в плотные осадочные породы, потеря воды и уплотнение протекает крайне медленно, поэтому средняя глубина протекания процессов – 150-200 метров. Литогенетические трещины приурочены к небольшим слоям пород или пластам и не пересекают мощных толщ. При исследовании Предуральского краевого прогиба было выявлено, что на глубине гипсы, ангидриды и каменная соль водоупорны и не подвержены карстованию, а процессы активизируются только при выходе породы на дневную поверхность.

Тектонические трещины (трещины скалывания и с разрывом сплошности) возникают в связи с вызванным эндогенными процессами проявлением тектонических сил в земной коре и подразделяются на трещины с разрывом сплошности, трещины скалывания и кливаж.

Термин «Кливаж» определяет возможность деления по параллельным и почти параллельным поверхностям горных пород на пластины небольшой толщины без нарушения сплошности.

Трещины в зоне выветривания способствуют увеличению уже образовавшихся литогенетических, тектонических трещин и потере монолитности породы. Главными причинами выступают: разрушительное действие замерзшей воды, суточные температурные перепады, вклинивание корней растений в слои, разложение минералов при выветривании в ходе химических и биохимических реакций. Данный вид трещин отличает небольшая глубина залегания – от 2 до 15 метров под поверхностью.

Пористость и кавернозность

Карстовые воды также могут двигаться по порам и кавернам горных пород. При изучении пористых доломитов в XX веке был выявлен своеобразный механизм их карстования – в результате взаимодействия с водой они растворяются и разрушаются до доломитовой муки, не образуя привычных карстовых форм. При наличии редкой кавернозности карстовый процесс выражается в расширении полостей, не сопровождающемся разрушением породы.

Трещиноватость и пористость. Сочетание двух факторов при карстовании возможно, но не имеет достаточной освещенности в литературных источниках. Карст развивается в первую очередь в трещиноватых породах – насколько бы пористой структура не была, процесс запускается только при наличии трещин. Поры служат своеобразным хранилищем воды, из которого она перемещается и заполняет трещины.

1.2. Типы карста

Единой устойчивой классификации типов карста не существует, разделение происходит по многим признакам, которые, однако, поделены на группы:

- Внешние признаки (характер перекрывающих пород, глубина залегания, условия протекания процесса и рельеф местности)

- Внутренние признаки (характеристики карстующихся пород – вещественный состав, трещиноватость и кавернозность, структура)

- Время и интенсивность процесса

- Морфометрия

Главным внешним признаком при классификации является обнаженность карста. Степень обнаженности карстующихся пород напрямую влияет на внешний вид и использование территорий. Так районы, где закарстованные породы лежат на поверхности, отличаются скудной растительностью и невозможностью широкого хозяйственного использования. Районы, где закарстованные породы перекрыты мощным слоем некарстующихся, пригодны для активного сельскохозяйственного использования.

По объему перекрывающих пород/ коренных осадочных отложений карст подразделяется на несколько типов.

Таблица 3. Схема классификации карста по обнаженности и характеру покровных отложений (Г.А.Максимович, 1960, 1961)

Покровные отложения	Тип карста при региональном развитии	Карст на небольших участках	Примеры данного типа карста
Отсутствуют	Средиземноморский	Голый	Горный Крым, Динарские горы
Незначительный почвенный покров, задернованный	Кавказский	Задернованный	Западный Кавказ
Элювий карстующихся пород	Среднеевропейский	Покрытый или подэлювиальный	Уфимское плато
Аллювий в речных долинах	Камский	Перекрытый или подаллювиальный	Карст долин рек в бассейне Камы
Осадочные некарстующиеся породы	Русский	Закрытый	Карстовые районы Русской равнины
Базальт и другие изверженные породы	Среднеатласский	Подвулканический	Четвертичные базальтовые породы Среднего Атласа на юрских известняках в районе Азру

1.Средиземноморский тип формируется в климате Средиземноморья во многом из-за ливневых осадков (нерастворимые частицы под действием достаточно сильных водных потоков смываются в трещины, провалы). Вследствие вырубки леса и интенсивного выпаса скота проявляется склонность к вымыванию почвы и обнажению карста.

2. Кавказский тип. Отличительной чертой является наличие карстовых форм, возникающих в ходе расширения трещин, например, карстовые воронки, каровые поля.

3. Среднеевропейский тип. В районах распространения данного типа карст перекрывают элювиальные отложения.

4. Камский тип наблюдается в речных долинах (главным образом в долине реки Камы) в местности, подверженной карстовым процессам.

5. Русский тип. Если в перекрывающих толщах преобладают пески, карст развивается в виде поверхностных форм. Если покров непроницаемый - на глубине под поверхностью за счет перемещения вод с незакарстованных участков, а на поверхность выходит в местах смыва отложений или нарушения целостности рельефа (провалы, трещины).

6.Среднеатласский тип. Базальты, перекрывающие водопроницаемые породы, не обладают ровной структурой, им свойственна трещиноватость, водные потоки и атмосферный воздух проникает по трещинам к подстилающим породам и запускает процесс.

Краткая схема классификации представлена в таблице 3.

Внутренние признаки представляют собой разделение по более конкретным признакам и процессам, которые наблюдаются в структуре отложений. Их существует великое множество, поэтому спектр классификаций весьма широкий. Рассмотрим некоторые из них (Таблица 4).

Таблица 4. Классификация карста

По литологическому составу
Карбонатные отложения (мел, известняки, доломиты, смешанные типы – доломитизированные известняки, мраморизованные доломиты)	Сульфатные отложения (гипсы, ангидриды и их смешанные типы)		Хлоридные (соляные отложения – калийная, каменная, морская и другие соли)
По содержанию нерастворимых веществ
Чистые	Чистые, с небольшой примесью нерастворимых веществ		С преобладающим числом нерастворимых веществ
По водопроницаемости
Трещиноватые	Пористые и кавернозные		Комбинированный тип
По соотношению чистых известняков и глинистых слоев
Голокарст – чистый известняк с отсутствием или небольшим содержанием глин	Мерокарст – неполный карст, наличие глин и больших прослоек высокой мощности		Подземный карст – формирующийся под слоем глинистых отложений
По глубине залегания
Поверхностные (карры, воронки, котловины и полья, мосты, арки)		Подземные (подрусловые и поддолинные каналы, каверны, полости и др.)

Существует структурно-морфологическая классификация карста, которую разработал Н.В.Родионов (1958г.) на основе исследований Русской платформы:

1.Эрозионный карст; 2.Карст водораздельных (междуречных) пространств; 3.Тектонических поднятий; 4.Зон тектонических разломов; 5.Эрозионно-тектонический карст; 6.Древних тектонических опусканий; 7.Районы и участки карста, активно развивающиеся в настоящий момент в связи с нарушением и изменением условий залегания, режима вод в региональном масштабе (в связи с разработками крупных месторождений, вызывающих понижение уровня подземных вод и осушением обширных пространств).

Деления на глубокий и мелкий карст в настоящее время не существует. В 20 веке исследования выявили ошибочность суждения о глубине карста. Ученые не могли прийти к выводу, какую точку можно считать гранью между глубоким и мелким карстом ввиду того, что в каждом конкретном случае существуют факторы, требующие индивидуального подхода, например, состав пород, уровень карстования, возраст карстовых пород.

Время и интенсивность процесса

При классификации по времени ранее существовали две категории: древний и современный, а по периодизации деление на юный, зрелый, старый и дряхлый карст. Это было вызвано недостатком знаний и технических возможностей для более глубокого исследования пород. Впоследствии на основе более широких сведений об истории и структуре карстующихся пород выяснилось, что даже те карстовые породы, которые лежат близко к поверхности или выходят на нее, зачастую образуются довольно длительное время. Усовершенствованное деление состояло из четырех типов: современные, древние, унаследованные и омоложенные. Кроме того была выявлена целесообразность изучения пути развития отложений на конкретных территориях вместо четкой периодизации. Ученые пришли к выводу, что не всегда возможно однозначно определить возраст пород, так как цикл образования может прерываться и снова возобновляться через какой-то промежуток времени.

Морфометрия

Примером морфометрической классификации может служить размерность карстовых форм рельефа – конкретные величины взамен довольно абстрактных понятий вроде «большой», «малый» или «средний». Г.А.Максимович предложил следующую классификацию пещер по длине: «громадные — больше 100 км, очень большие — 100—25 км, большие — 25— 1 км, значительные — 1000—250 м, небольшие — 250 — 10 м, малые — меньше 10 метров».

1.3. Карстовые формы

В основе систематики главнейших карстовых форм лежит геологический признак. Карстовые процессы наблюдаются не только в растворимых породах, но и в покрывающих породах другого состава, в связи с этим карст разделяют на две главные категории: 1.Карстовые формы в растворимых породах; 2.Карстовые формы в перекрывающих закарстованные толщи породах (образуются в результате перемещения материала из некарстующихся пород путем суффозии, обрушения или поверхностными водными потоками в карстовые полости).

Карстовые формы в растворимых породах

Значительная часть форм, составляющих данную классификацию, была выделена А.А.Крубером, И.К.Зайцевым и Н.А.Гвоздецким (Таблица 5).

Субаэральные карры (карры, образованные на открытой поверхности карстующихся пород при свободном стекании воды).

Карры и каверны в рифах морских побережий

Широко распространены на коралловых островах. В отличие от первого типа, в образовании участвуют морские воды. По Е. В. Орловой: [Под действием атмосферных агентов и морской воды поверхность коралловых известняков приобрела резко выраженный карровый характер. По-видимому, наряду с дождевой водой, большое значение имели брызги морской воды, приносимой ветром].

Рис. 6. Куэстовый рельеф [9].

Карстовые ниши

О бразуются на крутых склонах, сложенных породами карбонатного состава, в процессе принимают участие метеорные воды, растворяя горные породы, с повышенной растворимостью.

Чаще всего такие ниши встречаются на Кавказе, Памир-Алае и во второй гряде Крымских гор. В последнем случае ниши распространены благодаря куэстовому рельефу на крутых известняковых склонах, особенно на участках с понижениями бровки уступа, где метеорные воды накапливаются и стекают вниз по обнаженным склонам в большом количестве (Рис.6).

Карстовые воронки

Воронки поверхностного выщелачивания приурочены к плоским формам рельефа, на крутых склонах встречаются редко. Основной фактор - метеорные воды. Форма воронок неправильная (высокая трещиноватость и особенности залегания пород).

Провальные воронки возникают при обрушении сводов подземных полостей, широко распространены в породах с высокой растворимостью.

Карстовые долины

Определяются положением локального базиса эрозии (поноры или естественные шахты, отводящие воды с поверхности на глубину в карстовые полости). Выделяют слепые (слепо оканчиваются у карстовой формы, поглощающей поверхностные воды) и полуслепые долины (долины боковых притоков, утратившие связь с главной речной долиной).

Карстовые котловины и полья

Карстовые воронки при соединении друг с другом могут образовывать карстовые котловины, в которых в дальнейшем из-за увеличения водосборной площади возрастает роль эрозионных процессов.

Полья могут быть сухими, периодически затопляемыми и превращенными в крупные озера. Расположение, связано с размещением складчатых структур и разрывов, совокупной деятельностью выщелачивания и эрозии.

Карстовые колодцы, шахты и пропасти

Поверхностные воды стекают в трещины, происходит их расширение в связи с эрозией и растворением. Зачастую активное участие в развитии шахт принимает таяние накопившегося на дне трещины снега. На определенном этапе рост колодцев сопровождается обрушениями, действие талого снега маскирует происходящие на глубине процессы, поэтому часто такие формы называют провальными. Колодцы и шахты под действием вод развиваются, а затем, при достижении нескольких сот метров в глубину, расширяясь при обрушениях, превращаются в грандиозные пропасти.

Закарстованные трещины

Расширенные за счет процесса растворения. Образование вышеперечисленных поверхностных форм карста также связано с данным видом трещин, в особенности крупных подземных полостей.

Крупные карстовые полости: пещеры, каналы

Образование также начинается с закарстованных трещин. Проявления крайне разнообразно по форме, размерам, поэтому невозможно выделить четкую морфологическую классификацию. Попытки деления каналов и пещер показали высокую степень условности сделанных выводов, даже само деление на карстовые пещеры и каналы носит условный характер и выражает степень доступности их для исследователей.

По сравнению с другими карстовыми формами, пещеры являются наиболее интересными и привлекательными для исследователей: грандиозные размеры, спектр особенностей (натечные образования, пещерные реки и озера, пещерные льды и др.), своя особенная флора и фауна. Обнаружение ряда таких особенностей привело к необходимости комплексных исследований пещер и выделения отдельной науки – спелеологии.

Каверны и поры растворения

Распространены в областях развития неметаморфизованных карбонатных пород, реже в гипсах, ангидридах и каменной соли. Кавернозность и пористость являются ключевыми факторами при формировании коллекторских свойств нефте- и газоносных карбонатов.

По размерам, предложенным Г.И.Теодоровичем (1949), однако все равно довольно условным, выделяются поры – пустотные пространства размером меньше 2 мм и каверны, размеры которых колеблются в районе от 3 мм до 40-50 см.

Рис.7. Схема развития тоннелей в карстовых районах [10].

Карстовые тоннели, мосты и арки

В зависимости от условий в карстовой области могут протекать различные стадии процесса. Однако при наличии мощной толщи известняка над тоннелем его вскрытие для образования мостов и арок затруднено, а может и вовсе отсутствовать. Рисунок 7: схема развития тоннелей в карстовых районах (по Р. Кеттнеру). Вверху — карстовый тоннель с провальным окном. В середине — тоннель с двумя окнами. Внизу — карстовая долина, возникшая в результате провала свода пещеры, с аркой (слева) и карстовым мостом.

Помимо отрицательных форм карста в карстовых районах тропического и субтропического пояса формируются положительные формы. Для образования чаще всего необходимы обильные дожди и теплый климат. По размерам положительные формы подразделяется на мезоформы – карстовые бугры, холмы польев и равнин; макроформы – карстовые останцы в виде небольших гор или обширных холмов, которые, в свою очередь, дифференцируются на: 1) останцы тропических областей; 2) древние останцы польев, горных районов, оставшиеся на поверхности вне тропических областей; 3) древние погребенные останцы.

Выводы по главе 1

Карст - совокупность процессов растворения или выщелачивания горных пород, обусловленных деятельностью поверхностных и подземных вод с образованием различных форм рельефа при условии, что горные породы подвержены растворению. Процесс может развиваться во всех породах, подверженных растворению.

Карст – эрозионно-аккумулятивный процесс, в результате деятельности водных потоков происходит разрушение породы, и, в то же время, накопление продуктов разрушения. Существуют классификации по различным признакам, однако каждая схема или деление довольно условно. Одно изключевых условий, обуславливающих развитие карста - водопроницаемость. Она может быть вызвана: 1) трещиноватостью; 2) пористостью и кавернозностью; 3) совокупным воздействием трещиноватости и пористости.

Устойчивой классификации типов карста не существует, разделение происходит по многим признакам, которые, поделены на группы: 1) внешние признаки (обнаженность, характер перекрывающих пород, глубина залегания, условия протекания процесса и рельеф местности); 2) внутренние признаки (характеристики карстующихся пород – вещественный состав, трещиноватость и кавернозность, структура); 3) время и интенсивность процесса; 4) морфометрия.

Глава 2. Классификация отложений пещер

В 20 веке были выдвинуты несколько теорий классификации пещерных отложений, однако по отдельности каждая из них не была совершенна и имела некоторые упущения. В 1960-е годы была составлена генетическая классификация на основе теорий Д.С.Соколова и Г.А.Максимовича, считающаяся наиболее полной (Таблица 6).

К автохтонным отложениям были отнесены: остаточные отложения, элювиальная или пещерная глина; Обвальные отложения; отложения пещерных озер; натечные образования; кальцитовые образования в пещерных озерах; кристаллы автохтонных минералов: кальцита, арагонита, гипса; пещерный лед; органогенные отложения.

Рис. 8. Схема пещерных отложений [11].

Каллохтонным: обвальные отложения; отложения пещерных рек; отложения, принесенные в пещеру сверху через трещины; пещерный лед; гидротермальные отложения; антропогенные отложения культурного слоя пещер.

Все многообразие пещерных отложений было объединено К.А.Горбуновой в единую картину (рис.8).

2.1. Химический состав натечных образований

Химический состав сталактитов изучается не часто, в доступной литературе выделяются всего девять химических анализов. Согласно данным этих исследований, для пещер, образованных известковыми породами, велико содержание кальцита – от 91 до 99,07 %, MgCO₃ – 0,29 – 2,24 %. Для отрицательных карстовых форм в доломитах значения равны соответственно 81 и 9,11%. Имеется небольшое количество SiO₂, FeO, Al2O₃, _Fe2O3, содержание NiO не определено, а SO₃ в большей части опытов обнаружен не был. Значительно процентное содержание CO₂ – около 42%. Более подробные результаты каждого опыта представлены в таблице 9.

Таблица 9. Химический состав сталактитов

Химический и минералогический состав сталактитов
Состав, в %	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Химический:
CaO	56,28	54,67	54,10	55,47	51,83	53,42	50,96	52,64	15,34
MgO	0,17	1,09	0,14	следы	0,57	0,18	1,4	1,59	4,34
SiO2	нет	1,22	-	0,51	2,25	-	0,91	0,92	0,92
FeO	нет	0,85	-	0,07	-	нет	0,06	0,09	следы
NiO	0,10	не опр.	не опр.	не опр.	не опр.	не опр.	не опр.	не опр.	не опр.
Al2O3	следы	0,60	0,19	0,16	0,46	следы	-	-	-
Fe2O3	нет	0,66	0,07	0,16	0,46	следы	-	-	-
CO2	42,00	41,55	42,47	43,58	44,27	43,74	41,76	43,12	40,43
SO3	1,93	не опр.	-	-	-	-	-	-	-
Сумма	100,48	100,64	96,97	99,79	99,38	99,34	94,69	98,36	91,03
Минералогический:
CaCO2	98,07	94,53	96,60	99,07	94,;7	98,96	91,00	94,00	81,00
MgCO3	0,38	2,24	0,29	следы	1,00	0,38	3,10	3,№5	9,11
FeCO3	нет	1,36	-	0,12	-	-	0,10	0,15	следы
R2O3	следы	1,26	0,26	0,16	0,46	следы	-	-	-
SiO2	-	1,22	-	0,51	2,25	-	0,91	0,92	0,92
H2O	-		0,20	-	-	-	-	-	-
Органическое вещество	-	-	2,44	0,07	-	-	-	-	-
Нерастворимый остаток в HCl		-	0,28	-		0,36	-	-	-
Сумма	98,45	100,61	100,07	99,93	98,18	99,70	95,11	98,42	91,03

Я. Кокта было выявлено содержание большого количества органических остатков – остатки растительных тканей, водорослей и многочисленные споры.

2.2. Механизм образования в результате карстования

Натёки формируются в результате кристаллизации растворенного в воде минерала. Водные потоки, перемещаясь по пещере, растворяют породу – происходит процесс карстования – до образования насыщенного раствора. При локальном изменении условий (например, разница парциального давления CO₂ в растворе и в воздухе) раствор перенасыщается и начинается рост кристаллов. Процесс активизируется на стадии, когда агрессивные водные потоки, образующие пещеры, спускаются на более низкий уровень, оставляя медленно перемещающийся инфильтрат, капель, просачивающиеся через потолок пещеры. Механизм, запускающий процесс кристаллизации, отличается в зависимости от типа натечных образований.

Рисунок 10. 1,2) Углекислота в грунтовых водах растворяет известняк; 3) Уровень воды понижается; 4) Известняк, растворенный в толще над пещерами откладывается в виде сталактитов и сталагмитов [12].

2.3. Развитие карстовых форм в пещерах основных литологических типов

Сульфатный карст развивается в гипсах и ангидридах. Для сульфатного карста характерно увеличение объема пород, закрытие трещин и развитие карста в верхних слоях. Подземные формы возможны при большом зиянии трещин.

Карбонатный карст получил самое широкое распространение в связи с распространенностью карбонатных пород. Развитие его зависит от содержания углекислого газа, который вступает в реакцию с водой. Если CO₂ удаляется с водой, насыщения раствора не происходит и растворение продолжается. Содержание его напрямую связано с температурой вод.

Соляной карст при благоприятной геологической обстановке развивается быстро, пластичная соль ликвидирует образующиеся трещины в короткие сроки. В природе такой карст приурочен к краевым частям залежей соли и кровле, центральная часть, как правило, незакарстована.

2.4. Особенности пещерных натечных образований

Рис.11. Лас Вильяс, Куба [13].

Скорость роста натеков определяется быстротой притока и степенью насыщенности поступающих вод, парциальным давлением CO₂ и характером испарения. Дольше всего формируются известковые сталактиты. Среднего времени роста не существует – иногда метровые сталактиты вырастают за тысячу лет, иногда для этого требуется пять тысяч лет

Рис.12. Гипс. Пещера Кап-Кутан[14].

Самый высокий сталагмит высотой в 63 метра расположен в пещере Лас Вильяс, Куба (Рис.11). Рекорд Европы – 35,6 метров –принадлежит пещере Бузго, Словакия.

Кроме широко известных форм в субаэральных условиях образуются весьма причудливые антодиты, кораллы, геликтиты. Самый крупный геликтит – Джаул-Кейв, Юар (2 м). В пещерах Кап-Кутан, Туркмения (Рис.12). и Лечугия, США (Рис.14) образовались причудливые гипсовые формы (до 5-7 м в длину).

Рис. 13. Пещера Найка, Мексика [15].

Удивительная пещера Найка, Мексика – пещера гигантских кристаллов, достигающих 15 метров (Рис.13). Из-за сильных испарений и высокой температуры находиться в пещере больше 15 минут нельзя.

В начале XX века А.Е.Ферсман заметил, что гипотеза о преобладающем минерале пещер – кальците – не совсем верна. Проведенные исследования подтвердили, что на первом месте по количеству минеральных видов стоят рудные минералы.

Выводы к главе 2

Рис. 14. Пещера Лечугия, США [16].

По данным химических анализов в известняках и доломитах велико содержание кальцита, CO₂ и MgCO₃. Механизм образования состоит из нескольких этапов: перемещение водных потоков и растворение породы — понижение уровня воды — перенасыщение раствора — отложение в виде натечных образований.

Для сульфатного карста характерно увеличение объема пород, закрытие трещин и развитие карста в верхних слоях. Подземные формы возможны при большом зиянии трещин.

Карбонатный карст зависит от содержания углекислого газа, который вступает в реакцию с водой. Если CO2 удаляется с водой, насыщения раствора не происходит и растворение продолжается. Содержание его напрямую связано с температурой вод.

Соляной карст при благоприятной геологической обстановке развивается быстро, пластичная соль ликвидирует образующиеся трещины в короткие сроки. В природе такой карст приурочен к краевым частям залежей соли и кровле, центральная часть, как правило, незакарстована.

Скорость роста натеков зависит от быстроты притока и насыщенности вод, среднего параметра не существует. По количеству минеральных видов первое место занимают рудные минералы.

Глава 3. Типы натёчных образований

Натёчные образования, согласно классификации, принадлежат к водным хемогенным отложениям. Представители – сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, натеки на полу и стенах гротов и пещер.

В отрицательных формах карстового рельефа возникают сталактиты. Воды, обогащенные карбонатом кальция, просачиваются через толщу карстующихся пород и начинают капать с потолка пещер. При попадании в новые термодинамические условия подземных полостей насыщенные воды выделяют углекислый раз в атмосферу. Капля воды имеет круг в сечении, поэтому отложение карбоната кальция происходит по кругу в виде тонкого валика, с наращиванием превращающегося в цилиндр. Чаще всего такие трубочки наблюдают в пещерах, где в нижней части присутствует течение подземных рек, а в верхней происходит аккумуляция кальцита.

Длинные тонкие трубочки сталактитов в Чехословакии носят название брчек (Рис.15), что переводится как «гусиное перо». Длина – от 2-3 до 5 метров. Для формирования сталактитов необходимо определенное значение водородного показателя, например, для южной пещеры в Чехословакии pH=7,5.

Рис 15. Брчки Катержинской пещеры, Чехия [17].

Трубки имеют вид как тонких образований белого цвета, так и желтого. Вес таких трубок незначительный – один метр толстых трубок весит до 40 г.

Белые - молодые и хрупкие образования, обладающие кальцитовым блеском при расколе. Желтые своей окраской обязаны окислам железа.

Кроме трубочек существуют своеобразные формысталактитов: сферические, луковицеобразные, редькообразные (Рис.16). Размер таких образований от 5 до 10 см в поперечном сечении. Образуются в местах, где на своде пещеры насыщенная карбонатами вода долгое время не падает вниз. Капля, благодаря выделению карбоната кальция из воды, покрывается известковой пленкой, вода просачивается сквозь кристаллическую пленку на поверхность. На рисунке 16 представлены сферические, луковицеобразные или редькообразные сталактиты Я.Кашара. 1- образование кристаллов кальцита на поверхности капли, 2—3 — рост сферического сталактита, 4 — растворение сталактита внутри, образование внизу отверстия и второго меньшего сферического с

Рис. 16 Своеобразные формы сталактитов[18].

талактита, 5 — сложный с брчкой, 6 — с ферический обволакиваемый снаружи.

Шаровые сталактиты полые внутри в связи с вторичным растворением извести, происходящем в весенний период при поступлении поверхностных вод без карбонатов.

Рис. 17. Антодит [19].

Антодитами (с греч. антос – цветок) называют образования, напоминающей своей формой цветы. Они состоят из гипса, который не вытягивается вниз, как известковые сталактиты, а расходится вокруг поры. Наиболее часто такие цветы встречаются в пещерах Бельгии, о-ва Мальорки (Рис.17).

Рис.18. Арагонит (геликтиты). Хайдаркан, Киргизия [20].

На сталактитах, потолках и стенах пещер также встречаются наросты – геликтиты – имеющие спиральную, кривую форму и волокнообразную структуру. Образуются над очень тонкими отверстиями в стенах и потолке известковых пещер (Рис.18). Длина до 15 см, выступы и разветвления не свойственны.

В случае, если вода проникает в длинную трещину или щель и стекает по известковому выступу, возникают бахрома и занавеси из кристаллов кальцита (Рис.19). Таким же способом образуется еще одна интересная форма – флаги (Рис.20).

Рис.21. Конусообразные сталактиты. Пещера Люрей, Вирджиния [23].

Рис.19. Занавеси пещеры Люрей, Вирджиния [21].

Рис.20. Флаги [22].

В Южнословацкой карстовой зоне встречаются щиты и барабаны. Щиты - круглые пластины кальцита, достигающие 1 метра в диаметре. Барабаны, в отличие от щитов, имеют трубчатые сталактиты на нижней поверхности, часто соединяющиеся с верхними частями, образуя большой сталактит. Причина – слой разложившегося известняка на потолке, через который проникает вода., распределяется в нем по кругу, после затвердевания слой известняка превращается в щит.

Рис.22. Анемолиты [24].

Конусообразные сталактиты (Рис.21)формируются при закупоривании каналов сталактита и поступления материала не изнутри, а по поверхности. На длину и размеры влияют условия поступления карбоната кальция и высота потолка пещеры.

Также в пещерах присутствуют анемолиты – сталактиты или сталагмиты, имеющие вертикальное отклонение ввиду одностороннего испарения воды с сопутствующим наращиванием карбоната кальция (Рис.22). Последний процесс вызван неизменным движением воздуха в одном направлении.

Сталагмитыобразуются на полу пещер как под свисающими с потолка сталактитами, так и отдельно от них. Вода падает с потолка или выступов на стенах пещеры и образует небольшое углубление, часто имеющее форму конуса, размером до 15 см. В такой ямке благодаря выделению карбоната кальция могут сформироваться кальцитовые оолиты или пизолиты. Далее, по мере накопления кальцита, ямка заполняется, образуя корень сталагмита. В строении сталагмитов есть особенность – чередующиеся белые и окрашенные кольца в разрезе из-за неравномерного отложения карбоната кальция. Кристаллизация белых слоев – совершенная, все кальцитовые иголочки располагаются перпендикулярно к слоям. В окрашенных слоях процессу кристаллизации препятствует содержание коллоидного гидрата окиси железа.

Рис.23. Сталагмит в Карлсбадской пещере, США [25].

Питание натечных образований происходит за счет поступления воды с поверхности. Например, в пещерах, находящихся на высоте в течение года выделяется два периода – период непрерывного снегового покрова и теплых летних дождей. У вод, вследствие разной температуры и кислотности, различаются свойства (способность растворять органику и неорганику, попадающие в пещеры с водными потоками). Известняковые толщи над потолком накапливают поверхностные воды, которые в период вегетативного покоя равномерно распределяются по карстовой области и питают сталактиты, сталагмиты и другие натечные образования. Воды, насыщенные карбонатом кальция, способствуют росту образований за счет выделения вещества из раствора, в то время как ненасыщенные воды растворяют карстовые образования.

От состава воды также зависит окраска натечных образований. Летние воды содержат большое количество трехвалентных гидроокисей металлов (в составе трехвалентных металлов присутствуют цветные окислы железа и марганца).

Размеры сталагмитов самые разные – их диаметр может колебаться до 0,5 м при высоте в несколько метров. Возраст определяется исходя из размеров – 10 см в радиусе = 500 лет. В США в пещере Карлсбадской обнаружен громадный сталагмит (Рис.23) высотой 18,9 м и поперечным сечением 4,9 м, чей возраст определили в 60 млн. лет, однако это, возможно, является преувеличением. Форма сталагмитов отличается большим разнообразием, которое иллюстрирует рисунок 8.

Рис.24. Сталагнаты в Скельской пещере, Крым

При слиянии сталактитов и сталагмитов, достигших довольно больших размеров и возраста, образуются колонны – сталагнаты (Рис.24).Иногда можно увидеть интересное явление разделения пещеры на отдельные залы с помощью сталагнатов – драпировку. В сталагнатах могут присутствовать кристаллы хрусталя, образующегося в горах. Высота их может достигать 30-40 м, диаметр 10-12 м.

Рис.25. Лунное молоко [26].

Еще один интересный тип образований – каменное молоко или известковое тесто (Рис.25). Это отложения, пропитанные настолько большим количеством воды, что не могут затвердеть полностью. Немецкие ученые называют такие образования мондмильх.

К ак правило, они часто встречаются в сильно трещиноватых породах, где вода, просачивающаяся с поверхности через большое количество трещин, покрывает свод, стены и пол пещер. Еще одно условия мондмильха – невысокая степень испарения.

В случае высыхания воды, известковое тесто становится пылеватой субстанцией, состоящей из зернистых агрегатов кальцита с размером поперечника, измеряемым в микронах. В ходе химического анализа было выявлено большое содержание кальция и в меньшей степени магния, небольшое количество фосфатов и очень редко – сульфатов кальция.

Рис.27. Кораллиты[28].

Рис.26. Колония кристалликтитов – кальцит[27].

Кристалликтиты и кораллитыпредставляют собой коры из продуктов кристаллизации кальцитовых пленок, образующихся на стенках пещер выше уровня вод. Кристалликтиты – агрегаты кристаллов и кристаллических дендритов (Рис.26), кораллиты – агрегаты ассиметричных сферолитов и сферолитовых дендритов (Рис.27). По структуре и свойствам родственны кристалликтитовым агрегатам – кальциту.

Рис.28. Пещерный жемчуг [29].

Пещерный жемчуг– кальцитовое образование, похожее на настоящий жемчуг (Рис.28). Кальции кристаллизуется вокруг каменной крошки или песчинки, вода обтекает ее по кругу, в связи с чем кальцит не прирастает к полу, а формирует шар.

Рис.29. Гуры Шкоцянских пещер, Словения, плато Карст [30].

Гуры – кальцитовые плотины – небольшие скопления воды в ограниченных плотниками (размером 3-4 см) плоских углублениях, чаще всего в известняках. Другая группа гуров образуется на наклонной поверхности и располагается каскадом небольших бассейнов с кальцитовым дном и стенками (Рис.29).

Выводы к главе 3

В результате деятельности водных потоков в карстовых пещерах возникают водные хемогенные отложения - натечные образования, имеющие различные причудливые формы. Питание натечных образований происходит за счет поступления воды с поверхности. Кальцитовые образования имеют белый цвет, изменению окраски способствует содержание гидроокиси железа и рудных минералов, а также сезон образования – летние воды содержат большое количество трехвалентных гидроокисей металлов.

Пещерные натечные образования представлены следующими формами: брчки; сферические, луковицеобразные, шаровые сталактиты; антодиты; геликтиты; занавеси, флаги; щиты и барабаны; конусообразные сталактиты; анемолиты; сталагмиты; сталагнаты; лунное молоко; кристалликтиты и кораллиты; пещерный жемчуг; гуры.

Глава 4. Карстовые пещеры Крыма: Эмине-Баир-Хосар и Скельская пещера

Рис.30. Карта Эмине-Баир-Хосар [31].

Эмине-Баир-Хосар

Пещера Эмине-Баир-Хосар находится в юго-восточной части Крыма, в недрах горы Чатыр-Даг, в ее северной оконечности. Включает в себя шесть основных залов (Рис.30)

Рис.31. Естественный вход

Рис.32. Скелет козы в Главном зале

Пещера Эмине-Баир-Хосар имеет карстовое происхождение. В значительной степени этому способствовало большое количество осадков и трещиноватость пород: небольшие впадины превратились в колодцы, а после в тоннели, давшие начало подземным рекам, которые обтачивали и шлифовали породы, выходя затем на поверхность и впадая в реку Салгир.

П ещера известна с начала 18 века, однако попали внутрь спелеологи только в 1927 году. Естественный вход представлял собой колодец с 16-метровыми отвесными стенами (Рис.31). Доступ для туристов был открыт в 1994 г, когда спелеологи проделали горизонтальный тоннель и оборудовали безопасные маршруты.

Рис.33. Северная галерея [32].

Во время этих работ были сделаны удивительные открытия: найдены залы с неповторимыми натечными образованиями, палеонтологическими находками (кости мамонта, бизона, шерстистого носорога, пещерного медведя, козы), которые представлены в палеозоологическом музее на маршруте (Рис.32).

Рис.34. Озёрный зал [33].

Протяженность галерей более 2 км, но туристические маршруты охватывают около километра. В пещере 5 уровней, самый нижний – 180 м, верхний – 30 м от поверхности земли. Влажность в пещере высока – в районе 100%, среднегодовая температура +5 градусов.

Самая верхняя – Северная галерея, плавно переходящая в Главный зал (Рис.33). Высота – 40 м, длина – 120 м. Колодец природного входа привел спелеологов именно сюда. Здесь же находится палеозоологический музей.

Рис.35. Зал Идолов

Далее – Озерный зал. Глубина озера – 6 м, температура воды ледяная в любое время года.

Рис.36. «Солнце Кастере» [34].

Зал Идолов (Рис.35) протяженностью 60 м содержит более сотни сталагмитов, в центре – самые величественные «идолы» высотой в 10 м. На стенах – 20-метровые каскады натеков, на потолке – белоснежные сталактиты, завершает картину натечная плотина «Шоколадка». Далее – зал Сокровищница с занавесями кальцита на стенах и «Солнцем К

Рис.37. Водный вулкан, зал Кечкемет

астере» - натёк в виде диска с лучами по бокам, н апоминающее солнце (Рис.36).

Максимальная доступная глубина туристических маршрутов в пещере составляет 70 метров.

Кечкемет, протяженностью 100 м, хранит в себе сталагмиты «Белый спелеолог», и водный «вулкан».

Рис.39. Шапка Мономаха

Зал Дублянского знаменит благодаря Мертвому озеру – двухъярусное кальцитовое озеро, покинутое водой в далеком прошлом (Рис.38).

Рис.38. Мертвое озеро, зал Дублянского [35].

Еще одно интересное образование - Шапка Мономаха из мягкой, вязкой полужидкой известковой субстанции (Рис.39)

В Органном зале с величественными потолками и колоннами потрясающая акустика, иногда здесь проводятся камерные концерты классической музыки.

Скельская пещера

Рис.40. Дельфиний зал [36].

Она расположена у одного из отрогов горы Ай-Петри (южный склон). Отрог разделяет две котловины – Байдарскую и Скельскую. Ближайший населенный пункт – село Родниковское.

Пещера образовалась в результате действия геологических сил – образования крупного разлома, со временем обработанного водными потоками. Стены пещеры – это преимущественно мраморный известняк верхнеюрского периода. Подземные озера достигают в глубину нескольких десятков метров и питают водохранилище в Байдарской котловине. Известковая полость разделена на несколько залов колоннами сталагнатов, а обрушения сводов увеличили размеры гротов. Скельская пещера была известна давно, однако исследования ее начались только в 1904 г и продолжались на протяжении 100 лет, прежде чем были созданы туристические маршруты в пещере. Она состоит из трех уровней и нескольких галерей.

Рис.41. Каминный зал

Рис.42. Рыцарский зал

Температура воздуха здесь выше, чем в Эмине-Баир-Хосар и держится в районе + 13 градусов. Влажность также высокая, близка к 100%.

Существует пять главных залов: Рыцарский (Рис.42), Органный (Рис.43), Каминный (Рис.41), Дельфиний (Рис.40), Зал Привидений.

В Рыцарском зале можно увидеть 7-метровую фигуру рыцаря на коне и монаха в капюшоне.

Зал Каминный знаменит группой колонн, напоминающих огромный камин, Зал Привидений полон причудливых образований.

В пещере образовались два натека, по очертаниям поразительно похожим на Форосскую церковь и Ласточкино гнездо.

Рис.43. Органный зал

На нижние ярусы пещеры спускаются только ученые, притом прошедшие спелеологическую подготовку. Здесь обнаруживается уникально богатая фауна - останки животных эпохи голоцена.

В отличие от первого примера пещеры, воды здесь высокий уровень – все подземные озера полноводны в любое время года, а весной, при таянии снегов и дождях, начинается наводнение с паводком в районе 10 метров.

Сравнительная характеристика данных пещер по основным параметрам представлена в таблице 44.

Таблица 44. Сравнительная характеристика

Название	Эмине-Баир-Хосар	Скельская
Дата открытия	1927	1904
Возраст	10 млн лет	2,5 млн лет
Глубина	180 м	350 м
Увлажненность	100%	100%
Среднегодовая температура	+5	от +10 до +13
Натечные формы	сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, каскады, плотина, занавеси, кальцитовое озеро, геликтиты, антодиты, натечная плотина, «солнце Кастере»	сталактиты, сталагмиты, каскады, плотина, занавеси, колонны сталагнатов, подземные озера
Обитатели	летучие мыши	троглобитные виды – мокрицы, многоножки, ложные скорпионы, пауки, бокоплавы; летучие мыши – большой и малый подковоносы
Ископаемые	кости мамонта, бизона, шерстистого носорога, пещерного медведя, козы	останки животных эпохи голоцена

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы, используя литературу по геологии и спелеологии, я рассмотрела процесс карстования, типы карста и формы карстового рельефа, пещерные отложения, выяснила механизм образования в результате карстования и особенности пещерных натеков, их типы. Я смогла применить полученные теоретические знания для подготовки практической части, в которой рассмотрела натечные образования крымских пещер.

В процессе работы мной была подобрана литература из различных источников: библиотека, электронные библиотечные системы, интернет. Часть фотографий практической части из личного архива.

Все поставленные цели и задачи были выполнены: я изучила условия развития карста и его типы, химический состав и механизм образования натеков, выяснила особенности пещерных натечных образований и их типы, изучила факторы, обуславливающие образование различных типов натеков и сделала вывод, что изучение карста важно как для развития спелеологии, так и для выявления пригодности земель для хозяйственного использования в зависимости от интенсивности процессов и толщины перекрывающих пород.

Список используемой литературы

Анисимова О.В., Курсовая работа по геологии: Методические указания / О. В. Анисимова, Е. В. Архипова. — М.: Дубна : Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 2014. — 56с.

Гвоздецкий Н.А. Карст. — М.: Мысль, 1981. — 214 с., ил. – (Природа мира)

Дублянский В.Н. Занимательная спелеология. — М.: Урал LTD, 2000. — 528 с.

Короновский Н.В. Геология: учебник для эколог. специальностей вузов/ Н.В.Короновский, Н.А.Ясманов. – М.: Академия, 2003. — 448 с.

Максимович Г.А. Генетический ряд натечных отложений пещер (карбонатный спелеолитогенез). Пещеры, вып. 5 — М.: ПЕРМЬ, 1965. — 203 с.

Максимович Г.А. Карст. — М.: ЗНАНИЕ, 1960. — 48 с.

Максимович Г.А. Основы карстоведения, том 1. — М.: Пермское книжное издательство, 1963. — 445 с.

Соколов Д.С. Основные условия развития карста. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1962. — 322 с.

Максимович Г.А. Основы карстоведения, том 1. — М.: Пермское книжное издательство, 1963. — 445 с.

Максимович Г.А. Основы карстоведения, том 1. — М.: Пермское книжное издательство, 1963. — 445 с.

Код для цитирования: Скопировать