Сущность и особенности карстового процесса. Распространенность карста на земле
Реферат
"Сущность
и особенности карстового процесса. Распространенность карста на земле"
Введение
карст вода ландшафт геохимический
Название плато Карст (Крас) в Словении дало имя целому
комплексу процессов и типов рельефа. Чем же необычно это плато? Известняки,
слагающие его территорию, значительно пострадали от разрушающего и
растворяющего воздействия воды. В результате поверхность плато покрылась
желобками и воронками.
Проникающая по трещинам вода постепенно их расширила,
образовались пустоты, которые, соединяясь, сформировали гроты и пещеры.
Карст - комплекс форм рельефа, созданный в результате
химического выветривания. Капли дождя, подземные и наземные воды являются
прекрасными растворителями горных пород карбонатного состава - известняков,
мраморов, доломитов, гипсов. Похожие формы рельефа образуются в мёрзлых или
засоленных породах (их называют «псевдокарст» - прим. от geoglobus.ru).
1. Сущность и особенности карстового процесса
Карст представляет собой процесс растворения, или
выщелачивания трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными
водами, в результате которого образуются отрицательные западинные формы рельефа
на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине. Впервые
такие широко развитые процессы детально были изучены на побережье
Адриатического моря, на плато Карст близ Триеста, откуда и получили свое
название. К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел.
В соответствии с этим различают соляной, гипсовый и карбонатный карст. Наиболее
изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным
распространением известняков, доломитов, мела. Необходимыми условиями развития
карста являются:
) наличие растворимых пород;
) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды;
) растворяющая способность воды.
Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом
типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и
др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность
растворимых пород и частые ливни. Поверхностные формы в открытом типе карста
подробно описаны в общей геоморфологии, здесь же остановимся лишь на кратком их
перечислении и рассмотрим гидродинамические зоны в карстовом массиве. К
поверхностным карстовым формам относятся:
) карры,или шрамы, небольшие углубления в виде рытвин и
борозд глубиной от нескольких сантиметров до 1-2 м;
) поноры - вертикальные или наклонные отверстия, уходящие в
глубину и поглощающие поверхностные воды;
) карстовые воронки, имеющие наибольшее распространение, как
в горных районах, так и на равнинах.
Среди них по условиям развития выделяются:
а) воронки поверхностного выщелачивания, связанные с
растворяющей деятельностью метеорных вод;
б) воронки провальные, образующиеся путем обрушения сводов
подземных карстовых полостей;
с) крупные карстовые котловины, на дне которых могут
развиваться карстовые воронки
д) наиболее крупные карстовые формы - полья, хорошо известные
в Югославии и других районах;
е) карстовые колодцы и шахты, достигающие местами глубин
свыше 1000 м и являющиеся как бы переходными к подземным карстовым формам.
К подземным карстовым формам относятся различные каналы и
пещеры. Самыми крупными подземными формами являются карстовые пещеры,
представляющие систему горизонтальных или несколько наклонных каналов, часто
сложно ветвящихся и образующих огромные залы или гроты. Такая неровность в
очертаниях, по-видимому, обусловлена характером сложной трещиноватости пород, а
возможно, и неоднородностью последних. На дне ряда пещер много озер, по другим
пещерам протекают подземные водотоки (реки), которые при движении производят не
только химическое воздействие (выщелачивание), но и размыв (эрозию). Наличие
постоянных водных потоков в пещерах нередко связано с поглощением поверхностного
речного стока. В карстовых массивах известны исчезающие реки (частично или
полностью), периодически исчезающие озера. Отложения в пещерах представлены
несколькими генетическими типами:
) нерастворимые продукты, или остаточные (от растворения)
образования - терра-росса;
) обвальные накопления - продукты обрушения сводов карстовых
полостей;
) аллювиальные осадки, образующиеся подземными реками;
) озерные осадки;
) хемогенные образования - известковый туф (травертин) и
) натечные формы - сталактиты, растущие от кровли пещеры
вниз, и сталагмиты, растущие вверх.
Известны также ледяные пещеры, в которых накапливаются
разнообразные формы льда. Покрытый карст отличается от открытого тем, что
закарстованные породы перекрыты нерастворимыми или слабо растворимыми горными
породами. Формы поверхностного выщелачивания здесь отсутствуют, и процесс
протекает в глубине. В большинстве случаев здесь на поверхности образуются
карстовые суффозионные (лат. "суффозио" - подкапывание)
блюдцеобразные и воронкообразные формы, а также неглубокие поноры. На контакте
с закарстованными породами происходит процесс перемещения материала покрывающих
пород в ниже расположенные карстовые полости, в результате чего и образуются
такие формы, которые Ф.П. Саваренский называл воронками просасывания. Но в ряде
случаев карстово-суффозионные провальные воронки и шахты развиваются над
подземными каналами и пещерами.
Степень и характер закарстованности массивов растворимых
пород зависят от гидродинамических условий. По характеру движения и режима подземных
вод Д.С. Соколов выделяет следующие гидродинамические зоны : I-зона аэрации,
где осуществляется главным образом нисходящее движение инфильтрационных и
инфлюационных (лат. "инфлюацио" - втекание) вод, с которыми связано
формирование поверхностных карстовых форм; II - зона сезонного колебания уровня
трещинно-карстовых вод.
При высоком стоянии уровня в этой зоне происходит
горизонтальное движение воды, при низком - вертикальное, в соответствии, с чем
осуществляется направленное выщелачивание карстующихся пород; III - зона
полного насыщения, находящаяся в сфере дренирующего воздействия местной
гидрографической сети, прорезающей массив карстующихся пород. Эта зона имеет
наибольшее значение в развитии подземных карстовых пещер и каналов. Но в
придолинных участках образуются не только пещеры и каналы, направленные по пути
движения подземных вод к руслам рек. Во многих речных долинах бурением и
геофизическими методами обнаружено наличие крупных карстовых полостей
значительно ниже ложа, что связано с разгрузкой подруслового потока подземных
вод (рис. 7.13, III a). Местами выражена этажность карстовых пещер. Как было
сказано ранее, наблюдаются определенные направленность и цикличность развития
речных долин, находящие выражение в наличии надпойменных террас. Каждая из них
соответствует длительному эрозионно-аккумулятивному циклу развития речной
долины. С такими террасами, расположенными на разных высотах коррелируются
(лат. "корреляцио" - соотношение) карстовые пещеры. Зная возраст
террас, можно приближенно оценить время формирования пещер. При оценке степени
закарстованности массива важно знать историю геологического развития района.
Известны несколько возрастных генераций карста, соответствующих длительным
этапам континентального развития, в течение которых происходило активное
эрозионное расчленение, формирование речных долин и связанных с ними подземных
вод и карстовых процессов. Яркий пример - до-юрский карст Москвы и Подмосковья,
где закарстованные каменноугольные известняки покрыты юрскими отложениями. Интенсивный
карст протекал в течение двух предшествующих периодов (пермского и триасового)
до трансгрессии юрского моря. Гидрографическая сеть кайнозойского времени
местами вскрывает каменноугольные закарстованные известняки, что вызывает
оживление карстовых процессов, продолжающихся и поныне.
2. Распространение карста на земле
Карстовые явления широко распространены по всей планете.
Встречаются они и в горах (например, в Доломитовых Альпах, горах Балканского
полуострова, на Динарском нагорье), и на равнинах (например, на Великих
Американских равнинах, на Русской и Туранской равнинах).
Рис. Начало карстового процесса Развитие карстового процесса
Наиболее эффектны формы карстового рельефа в жарких влажных
тропиках. Тропический карст в Южном Китае, во Вьетнаме, Таиланде называют
«башенным» - это останцовые горы в виде башен, столбов, пик, конусов, покрытые
тропическим лесом. В тропических карстовых котловинах расположены живописные
озёра и морские заливы.
Карст на острове Куба носит название моготе. Так по-испански
называют крутостенные конические и куполообразные останцы известнякового
массива. В основании моготе образуются ниши и небольшие гроты, где после
тропических ливней скапливается вода. В Пуэрто-Рико карстовые останцы называют
«пепино» - по-испански «огурец», что указывает на их коническую форму.
Стадии возникновения подобного вида тропического карста
показаны на четырех рисунках.
Рис. Формы карстового рельефа в результате развития карстообразования
Рис. Останцовые горы в виде башен и столбов - результат
карстового процесса
Интересный рельеф формируют карстовые процессы в прибрежных
районах. Если берег моря, озера или широкой реки сложен известняками,
доломитами или другими податливыми к химическому растворению породами, как,
например, на Азовском море, Каспии, побережье Кипра и т.д., то на земной
поверхности и склонах образуются полукруглые лунки, создающие причудливый
кружевной узор. Ходить по такому участку непросто - острые края лунок могут
поранить ноги, порвать лёгкую обувь. У уреза воды нередко возникают гроты,
ниши, являющиеся входами в подводные пещеры. В этих местах карстовые процессы
усиливаются действием прибоя.
Для развития карста благоприятно обилие осадков, в том числе
и ливневых, а также влажный климат. Однако в последние столетия человек тоже
вносит свою видимую лепту в развитие карста. Сейчас склоны Динарского нагорья -
белёсые и каменистые, покрытые кустарником, переходящим у подножий в редкие
леса. Еще в XV-XVI веках эти склоны были покрыты густыми лесами с пышной
средиземноморской растительностью, но их частично вырубили для строительства
флота, значительные лесные массивы пострадали от пожаров и были сведены выпасом
скота. Так склоны оказались не защищенными от снега и дождей, что привело к
активизации карстовых процессов.
Но самыми известными, впечатляющими и загадочными формами
карстовых процессов являются пещеры.
3.
Системная природа карстового ландшафта
Ландшафт представляет собой природное единство, образование
определенных размеров, обладающее закономерной и сложной внутренней структурой.
В свою очередь, ландшафт является составной частью территориально более крупных
(региональных) природных образований. Территориальные размеры ландшафтной
системы фактически соответствуют ареалу, в пределах которого сохраняются
характерные физиономические черты природы, типичность которых предопределяется
однородным геологическим строением, характерным сочетанием форм рельефа,
закономерным рисунком гидросети, определенным сочетанием типов растительности,
почв и населяющих ландшафт организмов. ландшафты - это территории со своим
набором физико-географических процессов, отражающих их природную специфику.
Карстовые ландшафты (Кл) глубоко специфичны. От окружающих их
некарстовых ландшафтов они отличаются особенными рельефом, гидросетью, почвами,
биоценозами, более сложной структурной организацией, более высокой степенью
дифференцированности, дискретности, эмерджентности, иными механизмами вещественно-эенергетических
связей, своеобразием режимов фукционирования и динамики (Андрейчук,
Воропай, 1995; Воропай,Андрейчук, 1985). Особенности эти, по мнению автора,
могут быть наилучшим образом раскрыты с помощью системной парадигмы, т.е. через
представление карстового ландшафта в качестве геосистемы, обладающей
специфичным составом слагающих ее частей (элементов-геокомпонентов) и
своеобразной структурой (конфигурацией, характером взаимосвязей).
3.1
Состав и структура карстового ладшафта (как геосистемы)
В карстовом ландшафте присутствует яркий и своеобразный
феномен - подземные полости (разного вида и размера) и пещеры (доступные для
человека, вскрытые естественным путем или искусственно подземные полости). Они
являются относительно самостоятельными (физиономически, пространственно,
функционально и т.д.) природными образованиями - подземными комплексами. Не
случайно некоторые географы-карстологи именуют пещеры подземными ландшафтами с
особой подземной топографией, со своим пещерным климатом (микроклиматом), своей
подземной гидрографической сетью, специфическими растительностью и животным
миром (Гвоздецкий, 1954; Гергедава, 1983; Чикишев, 1979). В зарубежной
литературе, особенно словацкой, имеются интересные разработки, в том числе -
монографического характера, описывающие пещеры в качестве природных геосистем
(Jakal, 1986, Bella, 1995, 1998, 1999, 2000, 2008).
Подземная часть карстового ландшафта тесно связана с
наземной. Они являются двумя тесно связанными между собой частями единого
карстового ландшафта и составляют главную особенность его структурной
организации. Следуя системному пониманию, наземную и подземную части КЛ можно
рассматривать в качестве его двух структурных подсистем. Сопряженное
функционирование в карстовом ландшафте как геосистеме двух подсистем (наземной ↔
подземной) и обуславливает основные системные свойства КЛ, отличающие его от
некарстовых ландшафтов.
Карстовые ландшафты отличаются особой «геометрией». В связи с
наличием подземных полостей, иногда глубоких (до 2 км и более), по которым
поверхностные агенты (воды, кислород, твердый материал, органика) проникают
вглубь земли, их нижняя граница опускается соответственно, намного ниже, чем в
некарстовых ландшафтах, где она измеряется всего лишь десятками метров (ниже
земной поверхности). В отличие от «плоских» некарстовых ландшафтов, карстовые
характеризуются бoльшей объемностью.
В структуре карстового ландшафта можно выделить две
составляюшие: вертикальную (геокомпонентную - этажную) и горизонтальную
(геокомплексную - морфологическую).
3.2
Вертикальная компонентная структура
Элементы вертикальной структуры - вещественные
образования - геокомпоненты
Вертикальную геокомпонентную структуру карстового ландшафта
образуют, как и в других ландшафтах, агрегатно-однородные по массе
(воздух, вода, твердое вещество) и агрегатно-неднородные - в контактных
зонах между ними - геокомпоненты. Агрегатно-однородные геокомпоненты
(«геомассы») представляют собой образования, расположенные ярусно в
соответствии со своими физическими свойствами (плотностью): атмокомпонент
(воздух), гидрокомпонент (вода) и литокомпонент (горные породы).
В местах их контакта и взаимного проникновения формируются
вещественно-неоднородные - контактные геокомпоненты - почвы, илистые донные
отложения, водоносные горизонты, приповерхностные (активные) слои водоемов и
др. Контактные геокомпоненты отличаются от вещественно-однородных (массивных -
по терминологии В.Н.Солнцева, 1981) высокой концентрацией жизни
(организмов), являются их жизненной средой и представляют собой биокосные
(органо-неорганические) вещественные образования.
Присутствие подземных комплексов делает вертикальную
моносистемную организацию КЛ более сложной, чем в некарстовых ландшафтах, а
главное - повторяющейся (рис. 1). Такой тип вертикальной компонентной структуры
ландшафтов можно назвать зеркальным. На нижнем «этаже» Кл также
присутствуют массивные атмо-, гидро-, литокомпоненты и живое вещество. Но
свойства этих геокомпонентов под землей иные. Так, газовый компонент
(пещерный воздух, подземная атмосфера) (Амп) содержит повышенное содержание
азота, углекислого газа, метана, сероводорода, часто и радона. Содержание
углекислоты, например, может достигать в нем 3,0-8,0% и более. В подземном гидрокомпоненте
(Гмп) наблюдается более высокое, чем в водах поверхностной части ландшафта,
содержание растворенных веществ. В подземной подсистеме более разнообразен, чем
в наземной, также химический состав вод.
Рис.1. Вертикальная геокомпонентная структура карстовой
геосистемы местного или ландшафтного уровня.Поверхностная подсистема: Массивные
(агрегатно-однородные) геокомпоненты (косные образования): Ам - газовый
(атмосферный), Гм - жидкий (гидросферный), Лм - твердый (литосферный). Контактные
(агрегатно- смешанные) геокомпоненты (биокосные образования): (А-Л)к -
почва, (А-Г)к - приповерхностный слой в водоемах, (Г-Л)к - донный ил (озер),
водонасыщенный аллювий (рек).Подземная подсистема: Массивные
(агрегатно-однородные) геокомпоненты (косные образования): Амп - газовый
(атмосферный) - подземная атмосфера, Гмп - жидкий (гидросферный) - подземная
(пещерная) гидросфера, Лмп - твердый (литосферный) - вмещающие пещеру породы. Контактные
(агрегатно-смешанные) геокомпоненты (биокосные образования): (Л-А)кп -
пещерные своды, поверхность стен, (А-Л)кп - днища ходов и полостей с
отложениями (пещерная „почва”), (А-Г)кп - приповерхностный слой в пещерных
водоемах, (Г-Л)к - донный ил пещерных водоемов, аллювий пещерных рек. ε- живое вещество (контур указывает на его относительное
присутствие в массивных и контактных геокомпонентах).
Иные под землей также свойства литокомпонента (Лмп)
Процессы гидратации, перекристаллизации, замещения, цементации, доломитизации и
другие изменяют структуру и текстуру карстующихся пород, а возникновение в них
полостей, процессы обрушения деформируют и усложняют картину геофизических
полей в карстовых массивах (Андрейчук, 2007). Процессы спелеолитогенеза
вызывают перераспределение элементов и их соединений. Карстующаяся толща,
вмещающая подземную подсистему КЛ, часто содержит за счет карста включения и
мощные накопления брекчированных или нерастворимых пород.
Содержание живого вещества (Бмп) в подземной
подсистеме невелико. В литературе отсутствуют данные о биомассе карстовых
полостей, хотя в пещерах тропиков она может быть весьма значительна, особенно
если учесть накопление органики (толщи гуано). Однако здесь его несравненно
больше, чем в подземной части некарстовых ландшафтов (в трещинах, порах и
водоносных горизонтах).
Контактные геокомпоненты подземной части КЛ еще
более специфичны. Например, выветрелый потолочный слой породы в пещере,
поверхностный слой пещерных отложений, верхний слой воды пещерных водоемов,
донный ил пещерных озер существенно отличаются по составу и свойствам от
аналогичных поверхностных образований (почв, например). Как и в поверхностной
части ландшафта, они занимают контактное по отношению к мономассовым
геокомпонентам положение, характеризуются взаимопроникновением и
взаимодействием веществ, развитием геохимических барьеров (рис. 2) и являются
местами концентрации живого вещества.
Рис.2. Некоторые типы геохимических барьеров в подземной
части карстовых ландшафтов: 1 - растворительный, 2 - окислительный, 3 -
термогазодинамический, 4 - сорбционный.
Известно, что потолочные ниши (Л-А)кп в пещерах служат
местами обитания и зимовки летучих мышей. Они часто заселены также насекомыми
(паукообразными, прежде всего). Сама порода часто выветрена, «изъедена»
растворением или покрыта минеральными корками (рис. 3), обогащена различными
микроэлементами. Сюда проникают по трещинам и порам инфильтрационные воды,
отлагающие известь, осаждается из пещерного воздуха водный конденсат. В связи с
присутствием различных сред и субстанций (кислород, вода, органика) на их
поверхности концентрируются различные виды микроорганизмов (рис. 4). При
наличии света, например, искусственного, поверхность пещерного потолка или стен
представляет собой, поэтому, благоприятный субстрат для развития грибов,
водорослей и даже низших растений («лампенфлора» - рис. 5).
Рис.3. Потолочные новообразования на сводах (1) и на стенах
(2) пещерных ходов (пещера Даваданг, Таиланд, бассейн р. Кваи, фото
В.Андрейчука): 1 - органоминеральные корки, 2 -
карбонатно-железисто-марганцевые корки.
Рис.4. Распределение основных видов и групп микроорганизмов в
пещере Золушка (Буковина, Украина) (по Andreychouk, Klimchouk,
2001).Микроорганизмы концентрируются на поверхности пещерных стен и отложений,
т.е. приурочены к контактным образованиям.
Рис.5. “Лампенфлора” - папоротник, растущий под лампой при
стенке пещерного хода. Туристическая пещера в окрестностях Ван-Вьенг, Лаос.
Фото В. Андрейчука.
Поверхностный слой пещерных отложений (А-Л)кп также богаче
жизнью, чем подстилающие его слои. Здесь много полуразложившихся органических
веществ, приносимых с поверхности, помета летучих мышей. Последний является
биосубстратом для развития многочисленных насекомых, формирующих основание
пещерной пирамиды трофических связей (как в водной среде планктон или на
поверхности растительность). Органические кислоты, присутствующие в отходах
жизнедеятельности пещерных животных, химически преобразуют скальные выступы
днищ, что часто сопровождается формированием специфических, отчасти биогенных
минералов (главным образом, из группы фосфатов). Здесь также сосредотачивается
деятельность различных микроорганизмов, как утилизаторов органического
вещества, так и продуцентов некоторых химических соединений. Встречаются даже
растения, прорастающие (эмбриональная стадия) из привнесенных с поверхности
семян. На органических остатках, а также мусоре, оставленном в пещере человеком
или принесенном водой с поверхности, хорошо развивается микрофлора и плесень,
чему способствует постоянство пещерного микроклимата. Плесенные пленки
развиваются на площадях в десятки квадратных метров.
Рис.6. Минеральная (гипсово-серобактериальная) пленка на
поверхности водоема. Восходящий карстовый источник сульфатных вод. Окрестности
г.Дебар, Македония (Фото В.Андрейчука): 1- тонкая гипсовая корка, 2 - фрагмент
корки, образованной гипсовыми микрокристаллами с серными бактериями на их
поверхности, под электронным микроскопом.
С донным илом подземных водоемов (Г-А)кп связана жизнь
многих обитателей пещерных вод - рачков, бокоплавов и других организмов. Здесь
происходит накопление (хоть и в незначительной мере) органики, осаждаются на
геохимических барьерах разные (в зависимости от геохимических условий)
соединения (рис. 2), а также концентрируются микроорганизмы (рис. 4).
В целом же, органический мир подземной подсистемы КЛ
несравненно беднее, чем наземной. Исключением могут быть лишь карстовые
ландшафты аридных зон, где более увлажненные пещеры служат местами концентрации
фауны - насекомых, рептилий, грызунов.
Наличие в карстовом ландшафте подземных комплексов делает ярусной
не только его геокомпонентную, но и геокомплексную структуру (наземный и
подземный геокомплексы-подсистемы). Компонентный и в то же время - комплексный
характер - еще одна особенность его вертикальной структуры, присущая только
карстовому ландшафту. Она имеет важное значение в формировании таких системных
свойств КЛ, как целостность, функциональное единство, динамика, эволюция,
саморегуляция.
Cвязи - потоки веществ и энергии
Своеобразие вертикального разреза КЛ, зеркальный спектр его
геокомпонентов, наличие подземной подсистемы определяют специфику вещественного
и энергетического взаимодействия компонентов. Они реализуются, главным образом,
в виде вертикальных вещественно-энергетических потоков между ними.
Вертикальные межкомпонентные потоки-связи в КЛ имеют свои
особенности. Во-первых, их значение в общей структуре связей КЛ намного выше,
чем в ландшафтах некарстового происхождения. Во-вторых, они гораздо чаще, чем в
некарстовых ландшафтах имеют восходящую направленность. Так, известны сезонные
изменения воздухообмена между поверхностной и подземной частями КЛ, отмечаются
высокоамплитудные (десятки и сотни метров) колебания уровней пещерных водоемов
и горизонтов карстовых вод, т.е. связи эти более «флуктуабельны». В третьих, в
вертикальных потоках в несравненно бóльшем объеме, чем в
некарстовых ландшафтах, происходит перемещение твердого материала (и в водных
потоках, и в результате провальных и обвальных процессов). Движение водных масс
в виде свободно текущих нисходящих потоков (инфлюация, а не только инфильтрация
как в некарстовом ландшафте) составляет еще одну особенность вертикальных
связей в КЛ.
Перечисленные выше качества вертикальной структуры КЛ
позволяют считать ее специфичной и отнести к особому типу соотношения
геокомпонентов вертикальной структуры ландшафтов.
Парагенетический аспект вертикальной структуры
карстовых ландшафтов
Вертикальные вещественно-энергетические потоки не только
связывают в единое целое вертикально расположенные геокомпоненты, но и приводят
тем самым к установлению между наземной и подземной частями ландшафта парадинамических
и, прежде всего, парагенетических отношений. Они заключаются в том, что
подземная и поверхностная части ландшафта развиваются сопряженно,
взаимосвязано. Так, например, возникшая над подземной полостью воронка
формирует вокруг себя водосбор. Собирая поверхностные воды и направляя их в
полость, она способствует ее увеличению. В свою очередь, наличие дренирующей
полости - подземного базиса эрозии - способствует быстрому увеличению
водосборной площади воронки. Между наземным и подземным элементами ландшафта
устанавливается положительная обратная связь (взаимостимуляция), формируется динамический
парагенезис. Кольматация воронки приводит, соответственно, к затуханию
взаимодействия, сказывающемуся на обоих членах парагенетической системы.
Конечно, на уровне ландшафта процессы наземно-подземного взаимодействия намного
усложняются, дифференцируются по площади и направлению, но их парагенетическая
сущность сохраняется.
Поскольку вертикальные потоки связывают наземную и подземную
части карстового ландшафта (геокомплексы, подсистемы), можно говорить, что
вертикальные вещественно-энергетические потоки-связи в КЛ носят не только
межкомпонентный, но и межкомплексный характер, поскольку соединяют не
только геокомпоненты, но и геокомплексы - подземную и надземную части
(подсистемы) КЛ, формируя своего рода парагенетическую (и
парадинамические) геосистему. В этом смысле традиционно понимаемое моносистемное
представление вертикальной структуры ландшафта (Преображенский, 1986)
должно, в случае карстовых ландшафтов, быть дополнено полисистемным.
3.3
Горизонтальная комплексная (морфологическая) структура
Элементы горизонтальной структуры - геокомплексы
В латеральной плоскости карстовый ландшафт, как и другие
ландшафты, образован мозаикой геокомплексов (геосистем, биогеоценозов и т.д.)
более низкого таксономического ранга. В советской литературе к ним относили
наименьшие (элементарные) природные комплексные образования - фации,
которые «объединяются» в более крупные единицы - урочища и местности.
Поэтому, горизонтальная структура КЛ является по своей природе комплексной - полисистемной,
иерархической. Ее элементами выступают внутриландшафтные геосистемы
топологического уровня - фации, простые и сложные урочища, местности
(рис. 7). В их формировании особенно большое значение имеет группа
литоморфотектонических компонентов-факторов.
Рис.7. Ландшафтная картосхема плато Кырктау (Зеравшанский
хребет, Узбекистан) - фрагмент: 1 - склоновый ландшафт, 2 - ландшафт карстового
плато. Структурно-иерархические составляющие карстового ландшафта: 2.11 -
уровня местности, 2.131 - уровня урочища.
Особенностью рисунка карстовых внутриландшафтных
единиц является преобладание замкнутых ареалов, формирующихся в пределах как
отрицательных (воронки, котловины), так и положительных (останцы) форм рельефа.
Карстовый рельеф служит основой, субстратом наземных геосистем. Обычно они
представляют собой различные сочетания линейных и концентрических форм. Между
линеаментными и кольцевыми формами рельефа КЛ существуют пространственные,
временные, генетические, функциональные и другие связи. Соотношение кольцевых и
линейных элементов рельефа является интегральным показателем и отражает многие
стороны карстового ландшафтогенеза.
Морфологическое разнообразие и размеры карстовых форм
определяют таксономические особенности геосистем, слагающих КЛ. По
характеру отражения в рельефе среди карстовых образований обычно выделяют
отрицательные и положительные. Рельеф КЛ территорий с умеренным климатом обычно
определяют как западинный, ванновый (Гвоздецкий, 1954, 1972). При
характеристике рельефа тропического карста чаще говорят о положительных
(башенных, конических) и других формах. Переходные (между умеренными и
тропическими) области располагают набором как тех (небольшие полья и долины, но
еще не останцовые равнины), так и других. Совокупности отрицательных и
положительных форм рельефа КЛ служат основой формирования внутриландшафтных
геосистем.
Специфика рельефа КЛ - его морфологическая неоднородность,
дифференцированность, - вносит определенные усложнения в традиционные схемы
морфологического деления ландшафта. При установлении геокомплексов разных
рангов (от фации до местности) часто оказывается, что для отражения условной
структурной соподчиненности внутриландшафтных геосистем существующих
таксономических подразделений недостаточно. Не хватает, в частности, по опыту
наших исследований на Буковине, единицы, которая следует за сложным урочищем,
но еще не удовлетворяет требованиям местности - своеобразной «подместности»
(Воропай, Андрейчук, 1985). В этом отношении КЛ напоминает более сложные и
контрастные горные ландшафты, где такая единица, например, стрыя
(Миллер, 1974) рядом исследователей выделяется как самостоятельная. В структуре
КЛ (между фацией и урочищем) именно для обозначения природных комплексов типа
«западина», «карстовая воронка» уместна также выделяемая некоторыми
исследователями (Видина, 1970) такая единица как звено.
Следовательно, по сложности своей горизонтальной комплексной
структуры некоторые карстовые ландшафты равнин сопоставимы с горными
ландшафтами.
Связи-потоки между геокомплексами
Горизонтальные межкомплексные связи в КЛ также своеобразны.
Репрезентирующие их вещественно-энергетические потоки представлены эрозионными
процессами, плоскостным смывом, различными типами склоновых процессов,
латеральной циркуляцией воздушных масс, перемещением организмов и т.д. Их
основные направления, как и в некарстовых ландшафтах, контролируются
гипсометрией и морфологией поверхности литокомпонента. Однако специфика
карстового рельефа изменяет, усложняет, нарушает латеральный массоэнергообмен
между структурно-латеральными элементами карстового ландшафта. В голом
карсте, например, метеорные воды, ниспадающие на его трещиноватую, покрытую
каррами поверхность, почти целиком фильтруются вглубь массивов, лишая
геокомплексы (фации, урочиша) существенного латерального взаимодействия (рис.
8). В покрытом карсте, с карстовыми воронками на поверхности,
горизонтальные вещественно-энергетические потоки имеют место, но их
пространственное развитие существенно ограничивается водосборными площадями
карстовых форм, перехватывающих поверхностный сток (смыв и т.д.) и направляющих
его под землю. Формируется специфический радиально-центрический тип вещественно-энергетического
межкомплексного сопряжения, часто - с подземным выносом вещества. Такой тип
вещественно-энергетического сопряжения (как и в случае с вертикальними
потоками-связями в карстовом ландшафте) также имеет особенный характер,
отличаюшийся от некарстовых ландшафтов. Его особенностью является
пространственное ограничение горизонтального вектора потоков-связей, их
«замыкание» в ареалах карстовых форм, в то время как в некарстовых ландшафтах
потоки-связи имеют открытый, незамкнутый характер и объединяют гораздо большее
число элементов горизонтальной структуры ландшафтов.
Парагенетический аспект горизонтальной структуры
карстовых ландшафтов
Вещественно-энергетические потоки, действующие в латеральной
«плоскости» ландшафта, связывают элементы его горизонтальной структуры
(геокомплексы) в функционально-целостные образования - парадинамические и
парагенетические системы. Их примерами могут служить карстовая воронка и
прилегающее к ней окружение, карстовая котловина и ее поверхностная водосборная
площадь, слепая (заканчивающаяся понором) карстовая долина и ее водосбор и т.д.
Их функциональное единство обеспечивается преимущественно однонаправленными
потоками вещества и энергии, связывающими элементарные гомогенные и более
крупные относительно гомогенные геокомплексные образования в гетерогенные
парадинамические (парагенетические) системы.
Сопряженность вертикальной и горизонтальной
структуры карстовых ландшафтов
Таким образом, структура карстовых ландшафтов, как
вертикальная, так и горизонтальная, в первом случае принципиально, а во втором
существенно, отличается от таковой некарстовых ландшафтов. Ее характеризуют
тесные функционально-динамические связи между наземной и подземной частями. И в
вертикальной, и в горизонтальной плоскостях ландшафта это приводит к
формированию парадинамических (парагенетических) образований, описанных выше.
Естественно, представление нами парадинамических
(парагенетических) систем КЛ по отдельности, т.е. как присущих вертикальной и
горизонатальной структурам ландшафта, имеет условный характер. В
действительности они функционируют как пространственно единое целое. Карстовую
воронку с водосбором можно рассматривать как парагенетическую систему
латеральной структурыландшафта, и в то же время как поверхностный
элементвертикальной парагенетической системы, включающейвторым парадинамическим
членом подземную полость (рис. 9-1). Конечно, что правильнее считать подземную
полость, воронку над ней и прилегающее к воронке окружение в качестве единой
парадинамической (в данном случае и парагенетической) системы, так как все ее
части генетически и функционально (смыв, инфильтрация, перемещение материала)
связаны между собой. Так же и более крупное поверхностное карстовое
образование, например крупную оползневую воронку или карстовую долину, заканчивающуюся
понором, следует рассматривать как поверхностный член парадинамической системы,
подземной частью которой является пещерная система, формируемая исчезающим под
землей потоком (рис. 9-2, 3). Да и сам карстовый ландшафт в целом можно
рассматривать в качестве крупной парадинамической системы, состоящей из
динамически сопряженных поверхностной и подземной частей (рис. 9-4, 5).
Рис.8. Примеры карстовых парадинамических систем разного
ранга.
Таким образом, сущность карстовых ландшафтов как геосистем,
определяется как специфическим составом (бóльшее разнообразие) и
пространственным расположением (ярусность) слагающих их элементов
(геокомпонентов и геокомплексов), так и специфическим - карстовым -
способом их взаимодействия (сопряжения), ярко проявляющегося в формировании
своеобразного - карстового типа парадинамичесих (парагенетических)
геосистемных образований.
Связи КЛ с внешним окружением
Рис.
Карстовые ландшафты, как и все ландшафты, являются открытыми
динамическми системами и связаны вещественно-энергетическими потоками со
своим окружением. Характер внешних связей КЛ с окружающими ландшафтами во
многом определяется их гипсометрическим положением. Так, автогенное
положение КЛ (приподнятость над своим окружением, например КЛ Крымских яйл)
предполагает преимущественно одностороннюю (со стороны КЛ) вещественно-энергетическую
связь (Якуч, 1979). При аллогенном положении (ниже или на уровне своего
окружения, как это часто бывает на Урале, например) в КЛ сосредотачиваются
вещественно-энергетические потоки, что сказывается на его закарстованности. При
транзитном положении КЛ оказывает на вещественно-энергетические потоки
значительное трансформирующее влияние. Оно проявляется в уменьшении или
увеличении поверхностного стока (притока) в соседний нижерасположенный
ландшафт, поступлении в него более минерализованных вод и т.д.
Границы между карстовыми и некарстовыми ландшафтами
носят обычно отчетливый, резкий характер. Это связано с ярко выраженными
различиями физиографического облика карстовых и некарстовых ландшафтов, которые
подчеркиваются, прежде всего, рельефом. Резкие геоморфологическая (рельеф) и
соответствующая ей морфологическая (латеральная структура) границы часто имеют
тектоническую предопределенность (разлом, сброс) (рис.10-А) и линейный в
плане характер. При отсутствии разрывных нарушений, например при моноклинальном
погружении карстующихся пород под некарстующиеся отложения, граница между КЛ и
некарстовыми ландшафтами приобретает переходный характер (рис. 10-Б). В плане
ее очертания неровные, извилистые, отражающие неравномерное, эрозионно
зависимое изменение мощности покрова, изолирующего карстовые толщи от дневной
поверхности.
Рис.9. Примеры границ карстовых и некарстовых ландшафтов: А -
постепенная - с переходной зоной (в случае моноклинального залегания
карстующихся пород): 1 - некарстующиеся покровные отложения, 2 - карстующиеся
известняки, 3 - некарстующиеся подстилающие отложения. Б - резкая (в случае
разломного ограничения распространения карстующихся пород): 1 - некарстующиеся
отложения, 2 - карстующиеся гипсы, 3 - линии сброса.
.4
Функционирование и развитие карстового ландшафта
Функционирование КЛ
Функционирование любого ландшафта (как геосистемы) - это
закономерный, непрерывный, периодически повторяющийся, циклический процесс
массоэнергообмена между составляющими его элементами. Функционирование КЛ очень
сложно. Как и в некарстовых ландшафтах, оно определяется структурой геосистемы
(количеством элементов и характером связей между ними), процессами,
происходящими как внутри, так и вне ее. Но структура карстовых ландшафтов более
сложна и, к тому же - необычна - более объемная, вертикально «растянутая»,
«зеркальная». Во взаимодействие вовлечены элементы и поверхностной и подземной
его подсистем. Более того, именно взаимодействие элементов обеих подсистем
составляет главную особенность функционирования КЛ. Именно в
наземно-подземной этажной структуре карстовых ландшафтов заложены главные
«физико-энергетические» противоречия, приводящие в движение массоэнергообмен
между их элементами. Так, формирование полостей в подземной системе вызывает
образование провалов в наземной, обусловливает поглощение водных потоков и т.д.
Изменения на поверхности (тампонаж карстовых воронок, обезлесивание) влекут за
собой изменение процессов, протекающих в подземной подсистеме (заполнение полостей
или наоборот - вымыв заполнителя). Активность («функциональное напряжение»)
взаимодействия двух ярусных подсистем - «этажей» ландшафта зависит от высотного
перепада между ними, возраста, типа карста (морфогенетического, литологического
и др.) и других обстоятельств. Функциональная структура КЛ показана в очень
упрощенном виде (на уровне даже не элементов, а только их вещественных блоков)
на рис. 11. Видно, что пропорционально количеству элементов (в данном случае
лишь блоков) ландшафта возрастает количество функциональных связей между ними.
Причем, при увеличении количества элементов системы количество связей между
ними возрастает не арифметически, а геометрически. Отсюда понятно, что
функционирование карстовых ландшафтов намного сложнее, чем некарстовых. Это
необходимо учитывать как при изучении КЛ (специфика методики), так и при
разработке проектов природопользования в их пределах.
Рис.
Рис.10. Упрощенная (на уровне главных геокомпонентных блоков)
функциональная структура некарстовых (1) и карстовых (2) ландшафтов: Тонкие
стрелки - взаимодействия элементов внутри геосистемы, толстые - связи
геосистемы с окружением: ♊ - абиотический блок, Ο - биотический блок, Δ - социотический блок
(человек). График показывает степень усложнения функциональной структуры
геосистемы (экспоненциальный рост количества внутренних связей) по мере роста
количества слагающих ее элементов. Номера 1 и 2 на графике соответствуют
некарстовому (1) и карстовому (2) ландшафтам.
Динамика КЛ
Под динамикой ландшафта обычно понимают измененения,
происходящие в нем под действием как внутренних (взаимодействие элементов), так
и внешних (взаимодействие с окружением) факторов. Эти изменения не нарушают
принципиального характера структуры ландшафта и могут иметь обратимый
характер - например, сезонно-циклические изменения, восстановительные смены
(сукцессия), обусловленные действием естественных (пожар, паводок) или
антропогенных (вырубка леса, осушение) факторов. Тем не менее, со временем,
происходящие в ландшафте изменения становятся заметными (вырастает лес,
увеличивается мощность почвенного профиля и т.д.), особенно в случае проявления
катастрофических процессов (оползни, паводки и т.д.).
Структурная сложность КЛ, качественное разнообразие слагающих
его элементов и связей, более высокая «энергоемкость» (обусловленная
вертикальностью структуры, перепадами) предполагает более сложный характер и бóльший динамизм измененений, происходящих в нем, чем в
некарстовых ландшафтах. Большое значение имеют при этом не только
разнокачественность (агрегатная, физическая, химическая) элементов, но и
различия их пространственного расположения по отношению к внешним
преобразующим и стабилизирующим факторам динамики: наземная подсистема КЛ
теснее связана с его «экзоокружением», а подземная - с «эндоокружением».
Наземная подсистема непосредственно воспринимает воздействие факторов внешней
среды (осадки, радиация, антропогенное влияние), подземная - воздействие
факторов внутренней среды (например, гидродинамические события под землей -
паводки в пещерах, обрушения сводов и т.д.). С этим связано некоторое
запаздывание реакции подземной подсистемы на события в наземной и наоборот. В
этом смысле можно говорить о некоторой асинхронности изменений в
структурных подсистемах КЛ. Классическим примером в этом отношении является
реакция КЛ на ливневые осадки. Вначале воздействие принимает на себя наземная
часть (поглощение понорами, фильтрация через эпикарстовую зону). Спустя только
несколько часов, иногда суток, происходит повышение уровня вод под землей или
концентрация вод в подземных реках (подземная подсистема), а затем - через
определенное, иногда длительное время - воды появляются также на поверхности (в
наземной подсистеме).
Таким образом, динамическое воздействие отражается на всей
геосистеме, но в механизме его нейтрализации наземная и подземная подсистемы
действуют асинхронно.
Явление асинхронности подчеркивает относительную динамическую
автономность наземной и подземной подсистем КЛ, стабилизирующие (за счет
внутренних факторов) особенности их динамики. В некарстовых ландшафтах
внутренним стабилизирующим фактором являются устойчивые связи между его
элементами (геокомпонентами) и блоками (-абио, -био, и социогенным). В
карстовых ландшафтах элементы и блоки наземной подсистемы устойчиво связаны не
только между собой, но и с соответствующими элементами подземной подсистемы,
образуя объемную в пространстве и метахронную во времени
динамическую структуру. Структурная сложность системы (соразмерность со
сложностью своего окружения), как известно, является необходимым условием ее
стабильности, инвариантности. В карстовом ландшафте, как видно, это требование
не только удовлетворяется, но, в некоторой степени, «перевыполяется», прежде
всего, за счет внутрисистемных наземно-подземных связей-взаимодействий.
Устойчивость КЛ
Структурная специфика КЛ (ярусность) и его сложность
определяют более высокую степень его устойчивости, а также - специфику
механизма(ов) устойчивости. Воздействие факторов внешней среды на одну
подсистему опосредуется другой, смягчающей силу этого воздействия. В этом
смысле можно говорить о буферном механизме устойчивости КЛ. Для наземной
подсистемы при воздействии снизу (землетрясения, сдвиги, обвалы и т.д.)
буферной является подземная часть КЛ. Она, в свою очередь «прикрыта», в
определенной степени наземной подсистемой от воздействия агентов внешней среды
(колебаний температуры, непосредственного воздействия осадков, снега и т.д.).
В то же время структурная «проницаемость» (поноры, подземные
полости и каналы) и взаимосвязь подсистем Кл (провалы, входы-выходы пещер и
шахт) обусловливает его способность поглощать и пропускать через себя вредные
воздействия (например загрязнения) или накапливать инородные вещества без
видимого вреда для системы. Так, поглощая через трещины и поноры загрязнения,
наземная подсистема сохраняет, в отличие от некарстовых ландшафтов, свою
чистоту. Иногда это происходит за счет накопления загрязнений в подземной
подсистеме, но чаще, последняя, ввиду высокой пропускной способности своих
коллекторов (несравненно более емких, чем подземное основание некарстовых
ландшафтов) в достаточно короткое время также очищается от загрязнений.
Способствует этому и водообильность (функция емкости), и часто турбулентный
характер движения карстовых вод под землей. В этом состоит адаптивный
механизм устойчивости КЛ к воздействиям извне.
Своеобразие развития и эволюция КЛ
Специфика динамики карстового ландшафта, ведущая роль в
ней внутрисистемных взаимодействий элементов (геокомпонентов, подсистем)
является причиной яркой выраженности процессов саморазвития и автономизации
КЛ, интегрирующих его системно и типизирующих физиономически.
По мере своего развития (в процессе которого превалирующее
значение все более приобретают внутрисистемные наземно-подземные
взаимодействия, а не связи с окружением), карстовые ландшафты все более обособляются
и выделяются на фоне окружающих ландшафтов. В КЛ существенно уменьшается (из-за
поглощения) поверхностный сток, поэтому на его границах бровки склонов выражены
более резко. Поверхность К л часто имеет платообразный, столовый вид.
Разрушение его поверхности незначительно из-за поглощения поверхностных вод под
землю, слабого развития поверхностного стока и смыва (особенно в горах).
Напротив, в подземной подсистеме денудационные процессы проявляются более
активно (сосредоточение вод - главного агента карстовой денудации).
Следовательно, карстовый ландшафт как бы «консервирует», сохраняет свой внешний
облик, наружный «каркас» за счет сработки себя изнутри (образование полостей).
В результате КЛ часто возвышается над соседними некарстовыми ландшафтами, всю
энергию экзогенных воздействий в которых принимает на себя их поверхность.
Вместе с тем, интенсивность ландшафтных процессов в КЛ часто выше, чем в
окружающих их литогенных, но некарстовых ландшафтах. Преобразующая роль воды в
них выше: в субстрате КЛ вода производит двойное разрушение: одновременно с
химическим растворением происходит процесс физического (механического)
дробления и выноса карстующейся породы.
Из-за ведущей роли (в формировании облика и определении
функциональной сущности) внутриландшафтных взаимодействий карстовый ландшафт,
по сравнению с некарстовыми ландшафтами, менее зависим от своего
«экзосистемного» (зонального, секторного, провинциального и т.д.) окружения.
Поэтому, часто говорят об азональных и других «аномальных» свойствах
карстового ландшафта. Н.А.Гвоздецкий (1972, 1977) считает целесообразным
выделять КЛ в самостоятельный тип ландшафтов, которые невозможно отнести
ни к одному из зональных (широтно-зональных и высотно-поясных) типов.
Из внешних факторов на развитие карстовых ландшафтов большое
влияние оказывает их ландшафтно-зональное положение (экзогенный -
климатический фактор) и характер движений земной коры (эндогенный -
тектонический фактор). В КЛ одновременно с процессами растворения и выноса
материала имеет место его осаждение и накопление. Наиболее активно процессы
растворения и аккумуляции протекают в карстовых ландшафтах тропиков, менее
активно - в КЛ умеренного пояса и еще слабее - в карсте полярных и пустынных
областей. Эволюционное для КЛ значение тектонических движений проявляется в
изменении общих условий карстообразования и в соответствующей смене типов
карстовых ландшафтов. При восходящих тектонических движениях происходит
последовательная смена закрытого, приоткрытого, взрезанного, раскрытого типов
КЛ (Климчук, 2009; Klimchouk, 1996).
Учитывая конечный характер мощностей карстующихся пород, в
регионах устойчивых тектонических поднятий, можно говорить о карстовом
ландшафте как о стадии в развитии ландшафтов той или иной территории.
Природная среда КЛ ввиду своей специфики оказывает видоформирующее
воздействие на растительность (наземная подсистема КЛ) и животный мир
(подземная подсистема КЛ - формирование троглобионтов). Карстовые стадии в
развитии ландшафтов тех или иных регионов географической оболочки также сыграли
свою роль в эволюции ее органического мира.
Следует отметить, что внутренние факторы динамики и развития
КЛ являются главными в формировании их функциональной целостности и
физиономических особенностей, в то время как внешние факторы определяют,
главным образом, интенсивность внутриландшафтных взаимодействий и эволюционную
тенденцию, т.е. образуют динамический фон.
Вывод
Системная природа КЛ предполагает специфику их использования
и охраны. Наличие подземных пустот в КЛ создает существенные проблемы
использования его наземной части, но в то же время повышает общий ресурсный
потенциал ландшафта. Наземная и подземная его части могут одновременно
использоваться для разных целей. Однако такое комбинированное пользование не
должно быть противоречивым. Так, например, несовместимы строительство в
наземном ландшафте и забор вод из подземного, активизирующий коррозионные и
суффозионные процессы и вызывающей провалы и просадки на поверхности.
Охрана карстового ландшафта должна быть комплексной и
осуществляться с учетом системообразующих связей его элементов (Андрейчук,
Стефанов, 2008). Невозможно сохранить чистоту подземных вод, если в воронки на
поверхности сбрасывается мусор, стоки или трупы животных. Карстовый ландшафт
или составляющие его геосистемные образования должны охраняться в единстве
подземной и наземной частей.
Литература
.Воспроизводится
по оригинальной публикации в журнале: Спелеология и карстология, - №3. -
Симферополь. - 2009. - С. 47-69,
.Андрейчук
В.Н., Воропай Л.И. Карстовый ландшафт как геосистема // Проблемы изучения
карстовых ландшафтов. Пермь, 1993. - С. 37-52.
.Андрейчук
В.Н, Стефанов П. Принципы охраны карстовых территорий / Спелеологія і карстологія,
2008, № 1. - С. 54-59.
.Солнцев
В.Н. Системная организация ландшафтов. М: Мысль, 1981. - 238с.
.Дьяконов
К.Н. Пространственно-временная сопряженность функционирования геосистем.
Геоэкология, глобальные проблемы // Мат. К 1Х съезду ГО СССР. Казань, 1990. -
С. 8-15.