«Карст — совокупность своеобразных форм рельефа, возникающих в местностях, сложенных сравнительно растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками), в результате постепенного выщелачивания (химического) этих пород подземными и поверхностными водами. Для карста характерны — на поверхности преобладание отрицательных форм рельефа в виде так называемых карстовых колодцев, шахт, воронок, слепых долин и пр., а под землёй — наличие пещер, иногда сухих, иногда содержащих подземные озёра. Реки в карстовых областях часто уходят в трещины и воронки, текут под землёй на значительных расстояниях и затем где-нибудь вновь выходят наружу». (Словарь по геолого-разведочному делу).
Красное озеро — карстовое озеро, заполнившее глубокую 530-метровую воронку на юге Хорватии. Образовалось вследствие обрушения свода крупной подземной пещеры. Есть теория, что данное озеро связано подземными потоками со всеми другими озёрами и реками своей области. Общая глубина воронки — примерно 530 метров, а её объём — приблизительно 25—30 миллионов кубических метров. Таким образом, это одна из самых больших карстовых воронок в мире.
Карст — для натуралиста одно из привлекательнейших явлений природы.
Это потому, что для понимания карста, как объекта естественно-научных исследований, необходимо изучение многих сложнейших явлений в их взаимном сочетании и проникновении,в их развитии в пространстве и времени.
Это потому, что явления карста в их многообразии представляют исключительный интерес с точки зрения многих наук о мёртвой и живой природе и даже науки о человеке. Геология, минералогия, геохимия и гидрогеология, география и геоморфология; зоология, ботаника и палеонтология; этнография и археология — вот далеко не полный и очень обобщённый перечень основных научных дисциплин, для которых явления карста во многих отношениях полны глубокого значения.
Это потому, наконец, что в явлениях карста всё своеобразно — вплоть до незабываемых пейзажей закарстованных областей (например крымская яйла) или оригинальной прелести карстовых пещер.
Крымская яйла
Карстовые образования на земной поверхности и подземный карст неотделимы друг от друга, и природа их может быть понятна только одновременно и совместно. Основой основ для понимания карста любого района является геологическое строение местности — её стратиграфия, литология, тектоника, в сочетании с рельефом земной поверхности.
Карст — порождение химически растворяющей, механически разрушающей и переносящей растворённый и разрушенный минеральный материал деятельности воды. Соответственно, если карстообразованию подвержены в основном известняки — столь распространённые по всему земному шару, то карст возникает и в других растворимых горных породах (гипсах, ангидритах, каменной и калийной солях). Строго говоря, даже формы льда в ледниках, обязанные своим возникновением растворяющему действию текучей воды, должны быть отнесены к карстовым образованиям — эфемерным по длительности существования.
В СССР карстовые явления наблюдаются всюду, где в геологическом строении местности принимают участие известняки или гипсы, а в виде исключения и другие растворимые горные породы. Особенно широко карст распространён на Урале, на Кавказе, в Крыму, в Средней Азии и во многих других районах.
Характер распространения и развития карста обусловливается сочетанием форм залегания растворимых горных пород и движения и химизма поверхностных и подземных вод в зависимости от климатических, геоморфологических, орографических и гидрогеологических факторов.
Но современная картина карста — это только мгновенный и как бы статически фиксирующий снимок объекта, который в течение геологических времён живёт полной жизнью, развиваясь и видоизменяясь. Современный карст несёт в себе, как наследие прошлого, влияние всей предшествующей геологической истории района. «Ископаемый» карст, «древний» карст, иногда «глубинный» карст данной местности некогда возникали в совершенно иной, чем ныне, физико-географической и геологической обстановке, в частности, при иных базисах карстовой эрозии. Палеогеография и палеогеоморфология должны сказать своё слово при изучении карста.
Безграничные по разнообразию форм, размеров и взаимного расположения карстовые полости часто являются вместилищами воды или трактами водотоков. Текущая вода, действуя химически и механически, расширяет их при надлежащих условиях, вплоть до обширных пещер. В течение геологических времён карстовые полости, вследствие изменений геологической и гидрогеологической обстановки, очень часто не остаются зияющими, а полностью или частично заполняются минеральными отложениями. С изменением физико-химических условий (температуры, скорости течения и состава вод) в карстовых полостях нередко наблюдается определённая последовательность образования минералов, иногда возникают натёчные отложения необычайной красоты (например так называемые сталактиты и сталагмиты).
Подземные воды, протекающие в земной коре на большие расстояния и опускающиеся на значительные глубины, иногда выходят на земную поверхность в виде источников минеральных вод с повышенной температурой и обогащённых растворёнными в них минеральными веществами. Например, знаменитые минеральные источники — кисловодский нарзан, сочи-мацестинские сероводородные воды и другие — приурочены к закарстованным известнякам.
Полные своеобразия ландшафты и геоморфологические особенности карстовых областей создают предпосылки для возникновения особенных проявлений растительной и животной жизни.
Когда жизнь проникает в подземный мир пещер, то в течение неисчислимых веков живые существа эволюционируют в этих необычайных условиях также своеобразно, возникают особые виды растений и животных, изучение которых для биолога полно исключительного научного интереса, в частности тем, что помогает выяснить законы видообразрвания и вообще эволюционного развития органического мира. «В пещерах встречается довольно богатая и разнообразная фауна, представители которой имеют очень большое сходство с обыкновенными животными, населяющими землю, но претерпели большие изменения вследствие приспособления к жизни в темноте. Эта фауна поэтому носит название потёмочной. Внешние покровы этих обитателей обесцвечены, глаза обыкновенно утрачены почти совершенно, наоборот, другие органы чувств чрезвычайно развиты. Пещеры ещё более, чем пресные воды, являются как бы убежищем для архаических форм. Многие из пещерных обитателей имеют замечательное сходство с древними, ныне исчезнувшими типами. Таким образом, приспособление к жизни в темноте относится к очень отдалённой эпохе, но оно продолжается и теперь, так как для многих пещерных животных путь их постепенных изменений ещё не закончен» (Э. Ог. Геология, т. I).
Сказанное оправдывает большое внимание, издавна проявляемое к карсту представителями научной мысли самых различных специальностей.
Но в наше время, особенно в последние десятилетия, приходится считаться со всё возрастающим народнохозяйственным значением карста.
С карстом связаны многие месторождения полезных ископаемых. Достаточно назвать месторождения бокситов (например восточного склона Урала), прочих полезных ископаемых. Даже ряд интересных неправильностей в элементах залегания, вообще говоря, спокойно лежащих угольных залежей Подмосковного бассейна находит своё объяснение в наличии карстовых полостей в подстилающих залежи известняках. Поэтому исследователь карста должен обращать пристальное внимание на состав минеральных заполнений карстовых полостей, особенно в древнем карсте. Здесь могут быть неожиданные и важные открытия. Геологическое строение и генезис этих месторождений, знание которых необходимо для надлежащего направления разведочных работ и для рациональной эксплоатации, могут быть поняты только в свете выяснения закономерностей в строении карста горных пород.
В период разработки месторождений полезных ископаемых, непосредственно генетически связанных с карстом (как только что упомянутые месторождения бокситов) или, по крайней мере, находящихся вблизи закарстованных массивов горных пород (например каменноугольных отложений Кизеловского и других районов Урала), возникают большие затруднения, если карстовые полости заполнены водой. По самой сущности своего происхождения карстовые полости являются системами сообщающихся сосудов. До начала горных работ в каждой местности, где залегают закарстованные водоносные породы, существует природный гидрогеологический режим, как результат сочетания влияний геологических, гидрогеологических и климатических факторов. Здесь устанавливается некоторое подвижное равновесие между количеством вод, так или иначе пополняющих запасы воды в карстовых полостях и карстовыми водами, теряемыми через источники и подземные водотоки. Как правило, в карстовых областях этот природный гидрогеологический режим бывает, если говорить о конкретных деталях, очень сложным.
Но всякие горные выработки, проводимые с откачкой воды, реализуют дренаж карстовых вод, и этот дренаж в крупных шахтах достигает огромных размеров. Вследствие длительной откачки больших количеств воды в данной местности возникает, на смену природному, иной, вызванный деятельностью человека, искусственный гидрогеологический режим карстовых вод. Уровень подземных вод понижается, но не равномерно в пространстве и времени, возникают сложной формы депрессионные поверхности, изменяются, иногда очень резко, направления и скорости движения подземных вод. В корне может измениться картина распределения и динамики вод на земной поверхности. Необходимо ещё добавить, что в соответствии с постепенным развитием сети подземных выработок в глубину и по площади, все эти изменения режима вод развиваются и видоизменяются в течение не только лет, но и десятилетий.
Прогноз, характер и величины притоков воды в шахту при проектировании и строительстве имеет огромное производственное значение. Но ясно, что для обснованного прогноза будущих притоков необходимо иметь определённое представление о всех тех сложных изменениях, которые произведёт развитие подземных работ в когда-то существовавшем природном гидрогеологическом режиме.
Иллюстрацией трудностей борьбы с карстовыми водами в горном деле может служить хотя бы практика некоторых уральских шахт. Проходка стволов некоторых шахт в Кизеле (Северный Урал) потребовала затрат огромных средств и нескольких лет технически сложных работ. В одной шахте с глубины в 300 м (частично с глубины в 400 м) приходится ежечасно откачивать 700—800 м3 воды.
Приток карстовых вод в горные выработки наблюдается не только при непосредственном пересечении выработками толщ водоносных карстов, но и при пересечении тех же толщ трещинами, возникающими в горных породах вследствие их сдвижения над выработанными пространствами шахты. Если трещины достигают земной поверхности, то по ним могут проникать в подземные выработки и воды с земной поверхности, что, в свою очередь, изменяет режим питания водою закарстованных пород. По всем этим причинам, для качественного и количественного прогноза шахтных притоков необходимо: во-первых, детально изучить природный режим вод, существовавший до проведения горных выработок; во-вторых, уметь предвидеть воздействия, которые окажут на подземные водоносные горизонты и на поверхностные воды сдвижения горных пород при разработке месторождения; в-третьих, уметь предвидеть картину вновь возникающего искусственного режима.
Таким образом, перед исследователем столь сложного комплекса явлений возникает ряд интереснейших и полных производственного значения задач.
Откачка больших количеств воды требует затраты громадных средств, вот почему задача инженера не должна ограничиваться проектированием, сооружением и эксплоатацией средств водоотлива. Должны быть также приняты меры к возможному сокращению величины притоков применением систем разработок, устраняющих сдвижение горных пород или сводящих их к минимуму, а также возводить инженерные сооружения для отвода и преграждения вод как на земной поверхности (канавы, дамбы, «сплотки» и проч.), так и в подземных выработках (водонепроницаемые крепи и перемычки).
Практическое осуществление идеи проходки горных выработок с водонепроницаемой крепью приводит к принятию проходки шахтных стволов так называемыми «специальными» способами, очень сложными в техническом отношении — с предварительным замораживанием горных пород; их цементацией или глинизацией, под сжатым воздухом (кессонный способ), с предварительным понижением депрессионного уровня. Все эти способы уже применялись.
Большие притоки воды в шахту, помимо необходимости расхода на водоотлив громадных количеств электроэнергии, тягостны и технически неудобны для работы в забоях. Поэтому возникает идея о предварительном, до ведения горных работ в данном пункте, осушении месторождения, хотя бы частичном. Например, для Уральского бокситового района запроектировано предварительное осушение сжатым воздухом (эрлифтами) и глубинными электронасосами.
Как бы ни была сложна совокупность всех перечисленных технических мероприятий в каждом конкретном случае, бесспорно, что для их правильного проектирования необходимой и основной предпосылкой должны быть знания о природе карста, о динамике и химизме карстовых вод в условиях как природного, так и упомянутого искусственного их режима.
Другой, кроме горного дела, важнейшей областью инженерной деятельности, где при наличии закарстованных горных пород приходится с ними считаться серьёзнейшим образом, является сооружение обширных водохранилищ, в особенности для гидроэлектростанций. Как только в районе, желательном для строительства, обнаруживаются толщи известняков (или гипсов), становится необходимой детальная разведка, так как устранение фильтрации воды под плотинами, возведёнными на закарстованных горных породах, требует очень сложных, дорогих и не всегда надёжных технических мер. Подъём уровня воды по мере заполнения водохранилища приводит к нарушению природного равновесия вод и может сопровождаться увеличением фильтрации или даже проникновением воды в карстовые полости, ранее сухие.
Едва ли следует повторять, что достаточные и разносторонние знания природы карста решительно необходимы для выбора места проектирования и строительства водохранилищ.
В равной мере карстовые явления должны учитываться при строительстве каналов и разрешении вопросов водоснабжения и водоиспользования.
Ясные представления о природе карста могут предохранить и от ошибки переоценки вредного влияния карста для инженерных сооружений. Так, опасения относительно возможности «оживления» карста до размеров, опасных для сооружений, являются обыкновенно необоснованными. Например, карст в крепчайших известняках Кизеловского района совсем не опасен для проведения железных дорог, за исключением отдельных воронок, которые легко в инженерном отношении обезвредить. Другое дело строительство в области механически малоустойчивых гипсов или особенно «соляного» карста, «оживление» которого, вследствие инженерной деятельности, может протекать на наших глазах (например, Соль-илецкий рудник на Ю. Урале).
Некоторый хозяйственный интерес могут представлять карстовые пещеры для устройства складов.
Акад. Л. Д. ШЕВЯКОВ
Природа 1948 № 9
