Образование пещер и карстов

Образование пещер и карстов Московский Государственный Институт Стали и Сплавов Выксунский Филиал (Технологический университет) Реферат по предмету кристаллофизика На тему: «Образование пещер и карстов» Преподаватель:Лопатин Д. В. Москва 2008 Содержание I. Общие сведения о пещерах и карстов II. Гипотеза о происхождении карстовых районов III. Условия образования пещер IV. Типы пещер: 1. Карстовые пещеры 2. Тектонические пещеры 4. Ледниковые пещеры 5. Лавовая пещера V. Пещеры на территории Прибайкалья VI. Пещера Кызылъяровская им. Г. А. Максимовича. Карст в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками, мраморами, доломитами и каменной солью). Наиболее характерны для карста отрицательные формы рельефа. По происхождению они подразделяются на формы, образованные путём растворения (поверхностные и подземные), эрозионные и смешанные. По морфологии выделяются следующие образования: карры, колодцы, шахты, провалы, воронки, слепые карстовые овраги, долины, полья, карстовые пещеры, подземные карстовые каналы. Для развития карстового процесса необходимы следующие условия: а) наличие ровной или слабо наклонной поверхности, чтобы вода могла застаиваться и просачиваться внутрь по трещинам; б) толща карстующихся пород должна иметь значительную мощность; в) уровень подземных вод должен стоять низко, чтобы было достаточное пространство для вертикального движения подземных вод. По глубине уровня подземных вод различают карст глубокий и мелкий. Различают также «голый», или средиземноморский карст, у которого карстовые формы рельефа лишены почвенного и растительного покрова (например, Горный Крым), и «покрытый» или среднеевропейский карст, на поверхности которого сохраняется кора выветривания и развит почвенный и растительный покров. Карст характеризуется комплексом поверхностных (воронки, карры, желоба, котловины, каверны и др.) и подземных (карстовые пещеры, галереи, полости, ходы) форм рельефа. Переходные между поверхностными и подземными формами — неглубокие (до 20 м) карстовые колодцы, естественные туннели, шахты или провалы. Карстовые воронки или иные элементы поверхностного карста, через которые в карстовую систему уходят поверхностные воды, называются поноры. КАРСТ, известняковые плато - комплекс неровностей, выпуклых выходов горных пород, впадин, пещер, исчезнувших потоков и подземных стоков. Возникает в растворимых водой и выветриваемых горных породах. Процесс типичен для известняка, а также для тех мест, где вымываются горные породы. Много рек находится под землей, там же существует много пещер и крупных каверн. Самые крупные пещеры могут разрушиться и образовать ущелье или теснину. Постепенно весь известняк может быть вымыт. Явление названо по названию плато «Карст» в бывшей Югославии. Характерные карстовые системы широко представлены в Крымских горах и на Урале. частично размыт водой. Углекислый газ из атмосферы растворялся в дожде и способствовал образованию слабой угольной кислоты, которая в свою очередь способствовала размыванию гор ных пород, особенно вдоль линий кливажа и пластов, увеличивая их до образования карстовых пещер, долин, возникших вследствие обрушения стенок пещер, которые при дальнейшем развитии процесса могут превратиться в ущелья, и, наконец, остаются характерные для карстового ландшафта останцы известняка, не подвергшегося эрозии. Пещера — естественная полость в верхней толще земной коры, сообщающаяся с поверхностью земли одним или несколькими выходными отверстиями, проходимыми для человека. Наиболее крупные пещеры — сложные системы проходов и залов, нередко суммарной протяженностью до нескольких десятков километров. Пещеры — объект изучения спелеологии. Можно разделить пещеры по их происхождению на пять групп. Это тектонические пещеры, эрозионные пещеры, ледовые пещеры, вулканические пещеры, и, наконец, самая большая группа, карстовые пещеры. Пещеры, в привходовой части, при подходящих морфологии (горизонтальный просторный вход) и расположении (близко к воде) использовались древними людьми в качестве удобных жилищ. А именно, есть гипотеза, что: собой насыщенный раствор углекислого кальция. Отмершие оболочки опускались на дно и накапливались вместе с отложениями, выпадающими в осадок из раствора в результате климатических изменений; - за млн лет на дне пластами накапливалась известняковая масса; - под давлением известняковый осадок менял структуру, превращаясь в лежащий горизонтальными пластами камень; - Были возможны два сценария развития событий: 1) пласты оставались почти горизонтальными и неторнутыми (как под Москвой); 2) дно выпячивалось образуя горы, при этом целостность известняковых пластов нарушалась, в них образовывались многочисленные поперечные трещины и разломы. Так образовывался будущий карстовый район. Эта гипотеза подтверждается находками остатков древних раковин и других бывших живых организмов в толще известняков. Как бы то ни было, очевидно, что пещеры и породы, где они образуются, тесно связаны с древней жизнью на Земле. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕЩЕР Есть три основных условия образования карстовых пещер: 1. Наличие карстующихся пород. 2. Наличие процессов горообразования, подвижек земной коры в зоне распространения карстующихся пород, в результате - наличие трещин в толще массива. 3. Наличие агрессивных циркулирующих вод. приводит к появлению пещер различного вида. Даже в одной пещере встречаются различные "составные" элементы, которые образуются по разному. Основные морфологические элементы карстовых пещер и их происхождение. Морфологические элементы карстовых пещер: - вертикальные пропасти, щахты и колодцы, - горизонтально-наклонные пещеры, и меандры, - залы, Эти элементы возникают в зависимости от вида нарушений в толще карстующегося массива. Виды нарушений: Разломы и сбросы, трещины: - напластования, - на границе карстующейся и некарстующейся породы, - так называемые трещины бокового отпора. Выщелачивание. Колодцы образуются на пересечении тектонических трещин - в самом мехинически слабом месте массива. Туда поглощается вода атмосферных осадков. И медленно растворяет известняк; за миллионы лет вода расширяет трещины, превращая их в колодцы. Это зона вертикальной циркуляции подземных вод Нивальные колодцы (с поверхности массива): Зимой трещины забиваются снегом, затем он медленно тает, это - агрессивная вода, она интенсивно размывает и расширяет трещины, образуя колодцы с поверхности земли. Вода, проникнув сквозь пласт (слой) карстующейся породы доходит до трещины напластования и начинает распространяться по ней вдоль плоскости "падения" пластов. Происходит процесс выщалачивания, образуется субгоризонтальный ход. Потом вода дойдет до очередного пересечения тектонических трещин и снова будет образовываться вертикальный колодец или уступ. Наконец, вода дойдет до границы карстующейся и некарстующейся пород и далее распространяться только вдоль этой границы. Обычно здесь уже течет подземная река, там есть сифоны. Это зона горизонтальной циркуляции подземных вод. Образование залов. Залы встречаются в зонах разломов - больших механических нарушениях массива. Залы - результат чередующихся процессов горообразования, выщелачивания, снова горообразования (землетрясения, обвалы). Бывает, включаются дополнительны механизмы: - механический вынос обломков породы потоками воды, - действие напорных термальных вод (Новоафонская пещера). Образование горизонтальных лабиринтов. "сетке" тектонических трещин. Характерный пример - гипсовые пещеры Западной Украины. Названные механизмы образования элементов структуры (морфологии) пещер являются общими для всех видов карстующихся пород. В целом можно сказать, что карстовый массив является "ситом" просеивающим осадки и текущие воды. Все карстовые пещеры - и вертикальные и горизонтальные - являются каналами естесвенного дренирования вод в карстовом массиве. Результатом этой циркуляции является непременный выход подземных вод на поверхность - в виде явных или скрытых источников, в том числе, субмаринных. Типы пещер Натёчные образования в пещере Катерлох, Австрия. Таких пещер большинство. Именно карстовые пещеры имеют наибольшую протяжённость и глубину. Пещеры образуются вследствие растворения пород водой. Поэтому карстовые пещеры встречаются только там, где залегают растворимые породы: известняк, мрамор, доломит, мел, а также гипс и соль. Известняк, а тем более мрамор, растворяются чистой дистиллированной водой очень плохо. В несколько раз растворимость повышается, если в воде присутствует растворённый углекислый газ (а он всегда растворён в воде, в природе), однако всё равно известняк растворяется слабо, по сравнению, скажем, с гипсом или, тем более, солью. Но оказывается, что это положительно сказывается на образовании протяжённых пещер, поскольку гипсовые и соляные пещеры не только быстро образуются, но и быстро разрушаются. Огромную роль при образовании пещер играют тектонические трещины и разломы. По картам исследованных пещер очень часто можно видеть, что ходы приурочены к тектоническим нарушениям, которые видны на поверхности. Также, разумеется, для образования пещеры необходимо достаточное количество водных осадков, удачная форма рельефа: осадки с большой площади должны попадать в пещеру, вход в пещеру должен располагаться заметно выше того места, куда разгружаются подземные воды и т. п. Химизм карстовых процессов таков, что часто вода, растворив породу, через некоторое время откладывает её обратно, образуя т. н. натёчные образования: сталактиты, сталагмиты, геликтиты, драпировки и проч. Длиннейшая в мире Мамонтова пещера в США заложена в известняках. Она имеет суммарную протяжённость ходов более 500 км. Длиннейшая пещера в гипсах — Оптимистическая, на Украине, протяжённостью более 200 км. Образование таких длинных пещер в гипсах связано с особым расположением пород: пласты гипса, вмещающие пещеру, перекрыты сверху известняками, за счёт чего своды не обрушиваются. Длиннейшая пещера России — пещера Бо́товская, свыше 60 км длиной, заложена в известняке, находится в Иркутской области, бассейн р. Лены. Немного уступает ей Большая Орешная — карстовая пещера в конгломератах в Красноярском крае. Глубочайшие пещеры планеты тоже карстовые: Крубера-Воронья (-2191 м), Снежная (-1753 м) в Абхазии. В России глубже всех пещера Горло Барлога (-900 м) в Карачаево-Черкесии. Все эти рекорды непрерывно меняются, неизменно лишь одно: лидируют карстовые пещеры. Тектонические пещеры Такие пещеры могут возникать в любых породах в результате образования тектонических разломов. Как правило, такие пещеры встречаются в бортах глубоко врезанных в плоскогорье речных долин, когда огромные массивы породы откалываются от бортов, образуя трещины отседания (шерлопы). Трещины отседания обычно клином сходятся с глубиной. Чаще всего они заваливаются рыхлыми отложениями с поверхности массива, но иногда образуют довольно глубокие вертикальные пещеры, до 100 м глубиной. Шерлопы широко распространены в Восточной Сибири. Изучены они сравнительно слабо, и, вероятно, встречаются весьма часто. Пещеры, образуемые в нерастворимых породах за счёт механической эрозии, то есть проработанные водой, содержащей крупинки твёрдого материала. Часто такие пещеры образуются на берегу моря под действием прибоя, но они невелики. Однако, возможно образование и пещер, проработанных по первичным тектоническим трещинам уходящими под землю ручьями. Известны довольно крупные (сотни метров длиной) эрозионные пещеры, образованные в песчаниках и даже гранитах. Ледниковые пещеры иногда проходимые для человека. Характерные длины составляют первые сотни метров, глубины — до 100 м и более. В 1993 г. в Гренландии был обнаружен и исследован гигантский ледниковый колодец «Изортог» глубиной 173 м, приток воды летом в него составлял 30 м³/с и более [1]. Ледниковая пещера на краю ледника Фолл (Fallbreeen), Шпицберген. Ещё один тип ледниковых пещер — пещеры, образуемые в леднике в месте выхода внутриледниковых и подледниковых вод на краю ледников. Талые воды в таких пещерах могут течь как по ложу ледника, так и по ледниковому льду. Особый тип ледниковых пещер — пещеры, образуемые в леднике в месте выхода подземных термальных вод. Поскольку вода горячая, она способна проделывать объёмные галереи, однако такие пещеры залегают не в самом леднике, а под ним, поскольку лёд проплавляется снизу. Термальные ледиковые пещеры встречаются в Исландии, Гренландии и достигают значительных размеров. Лавовая пещера , Гаваи. Вулканические пещеры Эти пещеры возникают при извержениях вулканов. Поток лавы, остывая, покрывается твёрдой коркой, образуя лавовую трубку, внутри которой по-прежнему течёт расплавленная порода. После того как извержение уже, фактически, закончилось, лава вытекает из трубки с нижнего конца, а внутри трубки остаётся полость. Понятно, что лавовые пещеры залегают на самой поверхности, и часто кровля обваливается. Однако, как оказалось, лавовые пещеры могут достигать очень больших размеров, вплоть до 65. 6 км длины и 1100 м глубины (пещера Пещера Казамура, Гавайские острова). На территории Прибайкалья пещеры встречаются в различных породах и происхождение их весьма разнообразно. Одни пещеры произошли в результате очень продолжительного растворения известняка, гипса, доломита, каменной соли и других легко растворяемых пород дождевой или талой снеговой водой, просачивающейся мелкими струйками через трещины в пластах горных пород. Другие пещеры встречаются в гранитах, песчаниках, траппах, конгломератах и иных твердых породах и образовались вследствие процессов выветривания, резких колебаний температур и других причин. На территории Прибайкалья наиболее широкое распространение получили пещеры первого вида. Явления, возникающие благодаря растворению горных пород водой, в географической и геологической литературе принято называть карстовыми. Слово «карст» происходит от названия известнякового плато Карста, расположенного в Восточных Альпах около Адриатического моря, к востоку от города Триеста, где карстовые явления наиболее ярко выражены и раньше всего были изучены. Основной особенностью карста является проницаемость пород, связанная со способностью их растворяться в воде. Довольно быстро растворяется в воде гипс. Известняк растворяется медленнее и только в воде, содержащей углекислый газ. Просачивающаяся через трещины известняка дождевая и талая снеговая вода содержит кроме углекислого газа еще органические кислоты, образующиеся в почве при гниении листьев и стеблей. Вода медленно разъедает известняк, расширяя и углубляя трещины в нем. многими залами и коридорами. Расположенные глубоко под землей карстовые пещеры часто состоят из нескольких этажей на различных уровнях друг над другом. Коридоры таких пещер, соединенные узкими проходами-лазейками, иногда тянутся на большое расстояние, образуя сложные лабиринты. По некоторым пещерам, повидимому, когда-то протекали подземные реки, имеющие связь с поверхностными водотоками. который происходит чрезвычайно медленно, сколько созданные в прежние геологические периоды карстовые пустоты, в которые ухолит с поверхности вода. Это вызывает безводье края или резкие колебания уровня грунтовых вод, затрудняет добычу полезных ископаемых и является серьезной помехой при строительстве различных гидросооружений, прокладке железных дорог, изыскании трасс для шоссейных и грунтовых дорог, при проведении лесоэксплуатационных мероприятий и т. д. Ф. Д. Бублейников так объясняет происхождение сталактитов и сталагмитов: «На поверхности капли, повиснувшей на потолке пещеры, выделяется твердый известковый осадок. Раствор продолжает поступать и, наконец. капля под собственной тяжестью отрывается и падает, оставляя на потолке пещеры кольцеобразный осадок твердого вещества. Так постепенно образуется тоненькая известковая трубочка, внутри которой продолжает стекать просачивающаяся вода. Трубочка обычно скоро заполняется осадком, н притекающий раствор спускается по ее поверхности. Слой за слоем отлагается известь и подобно тому, как весной по краям крыш образуются сосульки льда, с потолка пещеры, медленно нарастая, спускается сталактит. Не успевшая испариться с поверхности сталактита вода падает на дно пещеры, и на этом месте постепенно наращивается известковый столбик — «сталагмит». Из года в год сталактиты и сталагмиты становятся все толще и длиннее. Нередко можно наблюдать причудливое срастание сталактитов и сталагмитов друг с другом в виде высоких стройных колонн, занавесей, ширм, грибов, статуй и т. п. натечных образований, эффектно украшающих пещеру. В больших холодных пещерах посетителя поражают непроглядная тьма, глубокая тишина и необычайно причудливые формы сводов и стен, покрытые красиво свисающими гирляндами кристаллов льда и инея, сверкающих бриллиантами. Только изредка тишина пещеры нарушается мелодичными звуками падающих с потолка водяных капель, стуком свалившегося где-то камня или легким порывом ветра, дующего откуда-то издалека. горная порода) и других породах, имеют вид небольших открытых ниш, навесов, арок, щелей, иногда далеко уходящих вглубь скал. Такие пещеры и ниши обычно бывают светлыми, сухими и удобными убежищами от дождя и ветра. Наружные отверстия пещер и ниш обыкновенно встречаются на склонах гор, в береговых скалах или на террасах рек и иногда на значительной высоте над рекой или озером. В многочисленных скалах побережья озера Байкал пещеры а гроты возникли под действием прибоя соли, которые своей огромной разрушительной силой способствовали расширению трещин и пустот в горных породах. Разрушительное действие прибоя увеличивается частыми ударами обломков скал, бросаемых волнами и бьющихся об уступы берега. В создании гротов известную роль играли и процессы выветривания. В некоторых местах от прибоя волн на побережье Байкала образовались высокие арки и ворота. Большой известностью пользуются живописнейшие гроты в бухтах Песчаной, Бабушки, Сенной, в скалах острова Ольхой, на островах Малого моря, в скалах вблизи поселка Коты в 18 километрах к северу от истока р. Ангары. Эти гроты бывают исключительно живописны поздней осенью, когда со стен и потолка гротов красивыми гирляндами свисают ледяные натеки льда. Пещера Кызылъяровская им. Г. А. Максимовича. Одна из крупнейших пещер Южного Урала - классический пример лабиринтовых пещер решетчатого типа, самая крупная пещера Урала в докембрийских отложениях, самая протяженная переточная пещера Башкортостана. Входит в состав Южно-уральского заповедника. Расположена в Белорецком районе в 1,2 км к север-северо-востоку от быв. д. Кызылъярово. Небольшой (0,8х0,4 м) овальный вход в пещеру находится в средней части правого склона долины р. Бол. Инзер на абсолютной отметке 362 м с превышением над руслом реки - 13 м. Заложена в карстовом массиве, образованным U-образной излучиной реки. В его геологическом строении принимают участие известняки миньярской свиты верхнего рифея. Привходовый коридор заложен по тектонической трещине и ориентирован по аз. 320 град.. Основная лабиринтово-решетчатая часть пещеры представлена системой наклонно-горизонтальных относительно узких и высоких коридоров и галерей, простирающихся по аз. 285-310 град.. Они пересекаются ходами северо-восточного направления. Образование лабиринта связано с системой взаимопересекающихся трещин бортового отпора, развитой во внутренней части излучины реки. При этом наиболее протяженные коридоры лабиринтовой части пещеры параллельны водораздельной линии на излучине, а короткие ходы - ориентированы перпендикулярно ей. Именно образование пещеры в коренной излучине реки по системе взаимопересекающихся трещин и обусловило ее значительные размеры, поскольку на Южном Урале для верхнепротерозойских карбонатных пород крупные (по длине) пещеры вообще не характерны. Пещера богата разнообразными натечными образованиями. В ней имеются относительно редко встречающиеся в пещерах Южного Урала геликтиты и кальцитовые кристаллы. в излучину. Заложение пещеры произошло, по-видимому, в нижнем плейстоцене, а наиболее активное ее формирование происходило в среднечетвертичное время (300-400 тыс. лет тому назад). Общая протяженность пещеры - 2217 м, площадь пола - 6,8 тыс. кв. м, объем - 30,6 тыс. куб. м, глубина - 13 м, амплитуда - 25 м.