Амеличев Г.Н., Украинский институт спелеологии и карстологии, Симферополь, Украина

Морфометрический анализ карста на нижнем плато массива Чатырдаг (Горный Крым)

Опубликовано: Свет № 1 (32), 2007 г., с. 16-21.

Введение

Горно-карстовый массив Чатырдаг, расположенный в Главной гряде Крымских гор, является хорошо изученным в карстолого-спелеологическом плане объектом, по которому имеются многочисленные научные и научно-популярные публикации. Они касаются его геологии, тектоники, рельефа, внутренних вод, ландшафтов, хозяйственного освоения в прошлом и настоящем. Среди рассматриваемых вопросов большое внимание уделяется водно-хозяйственным и рекреационным проблемам, которые имеют общие точки соприкосновения. Горный Крым в целом и Чатырдаг в частности относятся к основным областям питания водоносных горизонтов в Предгорном и Равнинном Крыму. Аянский воклюз, разгружающийся на северном склоне массива, питает одноименное водохранилище, которое является источником централизованного водоснабжения г. Симферополя. Уже более 100 лет, начиная с Н.А. Головкинского и А.А. Крубера, крымские геологи, гидрогеологи и спелеологи ищут местоположение главной дрены массива, концентрирующей около 80% всего подземного стока. Вход в нее через Аянскую пещеру-источник пока невозможен из-за очень глубокого и сложного сифона. Поэтому поиск доступных для человека входов в гидрогеологическую систему сосредоточился на нижнем плато, изобилующем глубокими шахтами и пещерами.

Давно известно, что поверхностные и подземные карстовые формы яйлинских массивов часто объединены в крупные карстово-водоносные системы, где положение каждого ее элемента (воронки, колодца, галереи и т.д.) обусловлено набором геологических, гидрологических, палеогеографических факторов и несет определенную информацию об условиях заложения и развития всей системы. Поверхностный карстовый рельеф может выступать своеобразным индикатором состояния и развития коррозионных процессов под землей, а в некоторых случаях - указателем местоположения если и не магистральной дрены, то хотя бы наиболее благоприятной для карстования зоны. Поэтому целью данной работы является установление карстолого-спелеологических закономерностей взаимозависимого размещения и развития поверхностных и подземных карстовых форм на нижнем плато массива Чатырдаг.

Методика

При выявлении карстолого-спелеологических закономерностей территории важную информативную нагрузку несут не только разнообразие и количество самих форм, но и их метрические характеристики (длина, ширина, глубина, высота, диаметр, уклон, площадь, объем, производные показатели). Использование последних базируется на материалах аэрофотосъемки, данных топографической съемки, детального обмера отдельных форм и позволяет с помощью математических методов оценивать роль отдельных из них (или группы) в развитии карста, строить ретроспективные и/или прогнозные территориальные модели карстовых геосистем. Имеющиеся в распоряжении автора кадастровые топографические и полевые морфометрические материалы о поверхностных и подземных морфоскульптурах, позволили применить комплекс известных (Проблемы..., 1983) показателей, характеризующих горизонтальную, вертикальную и интегральную направленность развития карста. Так горизонтальное развитие форм характеризуют площадь воронки и площадь карстовой полости. Вертикальное развитие оценивают по глубине воронки или карстовой полости. Интегральными показателями являются плотности и объемы воронок и пещер.

Для выявления территориальных закономерностей выбранных показателей использовалась топографическая основа крупномасштабной карты массива (К пещерам Чатырдага, 1995). Нижнее плато Чатырдага было разбито на ряд равновеликих квадратов (операционно-территориальных единиц; ОТЕ) с длиной стороны 0,5 км (рис. 1). Для каждого из них подсчитывалась сумма оценочных значений, после чего полученные величины еще раз суммировались в «скользящем окне», состоящем из 4 смежных ОТЕ общей площадью 1 км². Для карт плотности воронок и пещер расчетные процедуры на этом оканчивались. Для остальных карт в центре «окна» определялось среднеарифметическое значение оценочного показателя. По матрице средних значений отстраивались их изолинии.

Рис.1. Размещение карстовых воронок (А) и пещер (Б) в пределах нижнего плато массива Чатырдаг (по материалам карты «К пещерам Чатырдага», 1995): 1 - бровка плато, 2 - карстовые формы (А - воронки, Б - пещеры), 3 - реперные пещеры (1 - Эмине-Баир-Хосар, 2 - Мраморная, 3 - Бездонная, 4 - Ход Конем, 5 - Бинбаш-Коба, 6 - Инженерная, 7 - Кошина 200, 8 - Партизанская, 9 - Артюч-Коба, 10 - Учунджу-Хосар, 11 - Обвальная, 12 - Хабази).

Картографирование и пространственный анализ морфометрических показателей карста

Карта плотности карстовых воронок (рис. 2, а) является документом, иллюстрирующим не только характер размещения этих форм на поверхности яйлы, но и указывающим на благоприятные и неблагоприятные участки для карстования, характер и интенсивность перехода между ними. В соответствии с разработками П. Уильямса (Williams, 1983) и А.Б. Климчука (1989) карстовые воронки развиваются в приповерхностной зоне аэрации, где наблюдается максимальная трещиноватость пород, находятся хорошо проводящие воду спелеоинициирующие разломные участки, каналы растворения, эмбриональные и крупные полости. Таким образом, они играют роль индикаторов, указывающих на присутствие подземных форм, и могут использоваться для прогноза последних.

Рис.2. Территориальное распределение морфометрических показателей карстовых воронок на нижнем плато массива Чатырдаг: а - плотность, б - глубина, в - площадь, г - объем. 1 - бровка плато, 2 - изолинии и их значения на 1 км² (а - шт., б - м, в - м²,
г - м³), 3 - реперные пещеры (см. рис. 1)

Анализ карты выявил следующее распределение площадей с различной плотностью карстовых воронок (табл. 1). Средневзвешенный показатель для нижнего плато составляет 48 форм на 1 км².

Плотность воронок, шт/км²	Площадь
	км²	%
0-20	3,75	25,2
21-40	2,80	18,8
41-60	3,13	21,0
61-80	2,75	18,3
81-100	1,38	9,3
>100	1,10	7,4

Таблица 1. Распределение площадей с различной плотностью карстовых воронок на Чатырдаге.

Область наибольшей плотности карстовых воронок находится в юго-восточной части нижнего плато Чатырдага. От этой зоны в северном, северо-западном и западном направлениях плотность карстовых воронок уменьшается плавно, а в восточном и юго-восточном направлениях приобретает более резкий характер, что связано с близким расположением кромок плато. Высокие показатели плотности обеспечиваются наличием мелких нивально-коррозионных воронок, развивающихся на участке, выходящем из-под ветровой тени верхнего плато. Теплые, влагонесущие воздушные массы, прорываясь зимой через Ангарский перевал с юга, оставляют здесь значительную долю снега, участвующего в нивально-коррозионном морфогенезе.

Карта распределения средних глубин воронок (рис. 2, б). Глубину воронок можно рассматривать как показатель интенсивности вертикальной составляющей карстования. Чем больше глубина воронки, тем она ближе по морфометрическим показателям к вертикальным подземным формам. Критерием перехода от поверхностной к подземной форме являются известные (Проблемы..., 1983) соотношения между глубиной, высотой и шириной входа.

Изолинии карты имеют в целом несложную конфигурацию. Среднее значение глубины воронок для нижнего плато составляет 7 м. Большое влияние на распределение глубины оказала древняя гидрографическая сеть, так как воронки наиболее интенсивно углубляются за счет инфлюации и проработки поноров. Максимальный градиент увеличения глубин, имеющий азимут 70°, наблюдается между г. Дамчи-Кая и пещерой Кошина 200. Здесь на каждые 100 м глубина воронок возрастает на 0,7 м. Этот участок совпадает с зоной инвазии древнего водотока, установленной при изучении морфометрии и гранулометрического состава кварцевых галечников (Амеличев, 2002).

Карта поверхностной площадной закарстованности (рис. 2, в) позволяет выявлять территории с максимальной и минимальной концентрацией участков поверхностного закарстования. В отличие от карты плотности, где анализируется концентрация самих воронок, она характеризует распределение их площадей и дает более точное представление о карстовании. Зоны с максимальными значениями площадной закарстованности (без учета влияния глубин) можно интерпретировать как слабоперспективные для глубинного карстования, то есть в них преобладает латеральное развитие. Если днище воронки закольматировано, форма начинает расти в ширину за счет отступания стенок. В целом такая ситуация характерна для пассивных стадий карста, когда из-за недостаточного количества поверхностных вод глинистый заполнитель не выносится через поноры и подземные каналы в недра и за пределы массива. Для воронок, развивающихся по активной схеме, средний диаметр может быть невелик, характерно отсутствие покровных отложений в днище и наличие открытых поноров. Вертикальная составляющая карстования здесь значительно превалирует над горизонтальной.

Площадь воронок может служить косвенным показателем их возраста. При прочих равных условиях для образования крупной (обширной) воронки требуется больше времени, чем для малой, и следовательно, возраст первых древнее последних.

Среднее значение площадной закарстованности для нижнего плато составляет 4300 м²/км², максимальное - 12300 м²/км². Область максимальной площадной закарстованности расположена в северной части плато, в районе шахты Бездонной. Ось стабильности максимальных значений вытянута в субмеридиональном направлении к пещере Кошина 200. Наибольший градиент площадной закарстованности составляет 1160 м² на 100 м и фиксируется на участке между пещерами Мраморная, Крапивного, Эмине-Баир-Хосар. Резкое изменение показателей здесь связано с увеличением уклона топографической поверхности (верховья балки) и переходом к зоне с преобладанием вертикального карстования над горизонтальным. Для восточной части плато градиент имеет значительно меньшее среднее значение, что свидетельствует о более благоприятных условиях для площадной закарстованности на этом участке по сравнению с западным.

Расположение зоны максимальных значений объясняется несколькими причинами. Главная - это хорошая обводненность участка в прошлом, когда здесь располагалось русло древнего транзитного водотока, пересекавшего плато с юго-запада на северо-восток. Другая причина - совпадение с контактной зоной слоистых (с запада) и массивных (с востока) известняков. Третья причина - совпадение северного максимума с зоной предполагаемого древнего подпора карстовых вод меловыми отложениями.

Карта поверхностной объемной закарстованности (рис. 2, г) создана на основе карт распределения средних диаметров и глубин воронок (первая не приводится). Она характеризует распределение на конкретной территории объемов растворенных известняков, вынесенных с поверхности. В отличие от предыдущих карт, она дает интегральную оценку поверхностной закарстованности, не выделяя преимуществ вертикальной и горизонтальной составляющих.

В ходе анализа карты установлено, что среднее значение объемной закарстованности для нижнего плато составляет 10400 м³/км², среднее максимальное - 31600 м³/км². Область максимальных значений расположена в северной части плато, в районе шахты Бездонная. Ось минимальной вариации значений (ось стабильности) имеет простирание 15-195°. Градиентные характеристики подчиняются примерно тем же закономерностям, что и по предыдущей карте. Соответственно, аналогичным будет и объяснение причин размещения зон максимальных и минимальных значений показателя. Из этого следует, что глубина воронок либо не играет существенной роли в объемной закарстованности поверхности (т.к. существенно не изменила закономерности), либо законы размещения ее показателей имеют ту же тенденцию (направленность).

Карта плотности пещер (рис. 3, а) служит для показа концентрации карстовых полостей в пределах территориально ограниченных участков. Показатель плотности рассчитывается как отношение количества подземных форм к размеру площади карстующихся пород, в пределах которых они развиты. Единицы измерения - шт/км². Конфигурация изолиний плотности указывает на расположение зон, максимально и минимально благоприятных для карстования. Вытянутость изолиний в каком-либо направлении, плавный или резкий переход от больших значений к малым или наоборот, амплитуда показателей плотности - это признаки стато-динамических свойств явления, которые несут ценную прогнозную информацию.

Рис.3. Территориальное распределение морфометрических показателей карстовых полостей на нижнем плато массива Чатырдаг: а - плотность, б - глубина, в - площадь, г - объем. 1 - бровка плато, 2 - изолинии и их значения на 1 км² (а - шт.,
б - м, в - м², г - м³), 3 - реперные пещеры (см. рис. 1)

Анализ карты показал, что изолинии имеют в целом овально-изометричную конфигурацию. Их сложность нарастает с увеличением значений. Особенно это заметно у изолиний плотности 15 и 20 шт/км². Здесь начинают проявляться две оси стабильности показателей: 1) северо-южная (от пещеры Учунджу-Хосар до шахты Ход Конем) и 2) юго-западно - северо-восточная (от пещеры Узун-Коба до шахты Бездонная). Известно, что заложение карстовых полостей происходит в зонах повышенной водообильности. Следовательно, оси стабильности показателей плотности могут интерпретироваться как древние водообильные участки. Первая ось вероятно связана со снеговым питанием полостей, т.к. на этом участке сосредоточено максимальное (до 100 шт/км²) количество небольших (диаметр 30-35 м) и средних (глубина 6-7 м) нивально-коррозионных воронок. Вторая - результат влияния древней гидрографической сети.

Максимальная плотность пещер достигает 26 шт/км² и приурочена к окрестностям шахты Ход Конем. К северо-востоку от нее наблюдается максимальный градиент изменения плотности пещер (2,8 формы на 100 м). Средняя плотность для нижнего плато составляет 10 шт/км² (Cv=0,76).

Карта средних глубин карстовых полостей (рис. 3, б) характеризует вертикальное развитие карстовых процессов, которое зависит от наличия открытых тектонических трещин (разломов), чистоты химического состава карстующихся пород, количества, динамических и физико-химических параметров карстовых вод. Установлено, что в зоне аэрации до глубин около 20 м развиваются разнонаправленные, полигенетические трещины, только отдельные из которых могут быть спелеоинициирующими. Приповерхностная зона средней мощностью около 20 м является, по сути, корой выветривания известняков, в которой наблюдаются суточные и сезонные колебания температур. Поэтому 20-метровая глубина взята Г.А. Максимовичем (1963) за граничную между колодцами (менее 20 м) и шахтами (более 20 м). Объем воды, аккумулируемый многочисленными приповерхностными трещинами, по мере движения вниз начинает концентрироваться у наиболее крупных водопроводящих трещин. В ходе синхронного растворения такие трещины быстрее других перерастают в пещерные каналы (Климчук, 1989). Таким образом, глубина карстовых полостей является показателем древней или современной степени обводненности и тектонической нарушенности массива, указывающим на благоприятность (большие глубины) или неблагоприятность (малые глубины) вертикального развития подземного карстования.

Анализ распределения средних глубин пещер выявил наличие зоны максимальных значений (более 70 м) в центральной части северной окраины нижнего плато в окрестностях пещер Эмине-Баир-Хосар, Эмине-Баир-Коба и Бездонная. Изолинии с глубиной 20 м имеют прерывистое распространение в меридиональном направлении с широким ответвлением к юго-западу. Нарастание показателей наблюдается с юга на север и в некоторой степени совпадает с распределением плотности пещер. Средняя глубина карстовых полостей плато составила 27 м.

Карта подземной площадной закарстованности (рис. 3, в) является одной из моделей, иллюстрирующей интенсивность развития карстовых процессов в недрах массива, выраженную через проективную площадь подземных форм. Для вертикальных полостей типичны малые значения, для горизонтальных - большие, для наклонных или каскадных - промежуточные значения площадей. Условия развития подземных полостей в ширину (в горизонтальном направлении) аналогичны условиям расширения воронок. В основном это связано с горизонтальным стоком вод и отсутствием условий для вертикального нисходящего движения. Причиной для роста пещеры в ширину может быть близкое залегание грунтовых вод, кальмотация внутренних колодцев, наличие водоупорных прослоев среди карстующихся пород и пр.

В ходе изучения распределения площадей подземных форм выявлено два участка с повышенными значениями. Южный участок расположен в окрестностях пещер Артюч-Коба, Учунджу, Обвальная, Хабази-Хосар, северный - Мраморная, Эмине-Баир-Хосар. Среднее значение подземной площадной закарстованности для нижнего плато составляет 840 м²/км². Максимальные значения приурочены к залам и галереям пещеры Мраморной (6300 м²) и Эмине-Баир-Хосар (12000 м²). Очевидно, здесь наблюдался в прошлом максимальный латеральный сток, обусловленный подпором меловых глин, покрывавших северный склон массива до уровня северной бровки. Наличие потолочных меандров в залах Мраморной пещеры (Вахрушев и др., 1999) и кальцитовых оторочек древних озер на стенах залов пещеры Эмине-Баир-Хосар - яркое свидетельство длительного этапа развития этих полостей в условиях подтопления.

Карта подземной объемной закарстованности (рис. 3, г) дает интегральное, общее представление о размещении объемов пустот, обусловленных как плановой площадью полостей, так и их глубиной (протяженностью). При послойном анализе распределения объемов в глубину появляется возможность выявления зон максимально благоприятных для закарстования (большие объемы) и использования их в качестве своеобразных маркирующих горизонтов. Анализируемый показатель характеризует общее распределение объемов карстовых полостей в 250-метровой толще известняков плато, доступной на сегодняшний день для прямых спелеологических исследований.

На рисунке территориального распределения объемов карстовых полостей выделяется два аналогичных предыдущей карте участка с максимальными показателями. Среднее значение подземной объемной закарстованности для нижнего плато составляет 10700 м³/км². Максимальные значения приурочены к залам и галереям пещер Мраморная (130000 м³) и Эмине-Баир-Хосар (80000 м³). Несколько меньшие значения (6000-19000 м³) характерны для южной группы карстовых полостей. В целом, рисунки изолиний площадной и объемной закарстованности в недрах массива очень сходны, несмотря на учет в последнем случае показателя глубины. Всё это указывает на то, что горизонтальная составляющая стока (следовательно, и карстования) преобладает над вертикальной, хотя для южной группы пещер это преобладание выражено менее ярко. Аналогичное соотношение сил наблюдается для площадной и объемной закарстованности поверхностных форм.

Соотношения и взаимосвязь поверхностного и подземного карста

Оценка взаимосвязи морфометрических показателей поверхностного и подземного рельефа и их роль в развитии карстовых морфоскульптур осуществлялась при сопоставлении построенных карт между собой с помощью коэффициентов корреляции.

Связь между явлениями считалась значимой и тесной, если коэффициент парной корреляции попадал в диапазон значений [0,61-1,00] или [-0,61... -1,00]. Если его величина колебалась в интервалах [0,51-0,60] или [-0,60...-0,51], то связь считалась значимой, но слабой. Об отсутствии связей свидетельствовали значения, попавшие в диапазон [-0,50-0,50] (Бочаров, 1971). Расчет коэффициентов корреляции проводился с помощью стандартной программы Microsoft Exel, в которую вводились данные с сетки-матрицы карт. Результаты обработки данных представлены в таблице 2.

	Ps
Ps		Hs
Hs	0,47		Ss
Ss	0,32	0,76		Vs
Vs	0,34	0,81	0,98		Pu
Pu	0,63	0,62	0,53	0,58		Hu
Hu	0,09	0,53	0,60	0,61	0,40		Su
Su	-0,25	0,18	0,01	0,03	-0,13	0,55		Vu
Vu	-0,23	0,13	-0,09	-0,06	-0,13	0,36	0,93

Таблица 2. Парные коэффициенты корреляции морфометрических показателей поверхностного и подземного карста:
Р - плотность, Н - глубина, S - площадь, V- объем; s - для поверхностных, u - для подземных форм.

Анализ таблицы показывает, что из 28 пар связей только 12 (42%) характеризуются значимостью. Из них надежную тесноту имеют 7 пар (жирный курсив), а 5 обладают неустойчивыми связями (обычный курсив). Все значимые связи между морфометрическими показателями являются положительными, т.е. стабилизирующих факторов нет. Наибольшее количество значимых связей (по 4) имеют глубина воронок и пещер, площадь и объем воронок, плотность пещер. Двумя связями обладает площадь полостей и по одной - плотность воронок и объем пещер. Таким образом, учитывая тесноту значимых связей, глубина, площадь и объем воронок являются наиболее информативными показателями, с помощью которых можно относительно надежно проводить прогноз распространенности других признаков поверхностных и подземных форм карста в пределах нижнего плато Чатырдага. Например, коэффициент корреляции между плотностью пещер (у) и средней глубиной воронок (х) составляет 0,62, а зависимость описывается уравнением линейной связи у=4,06х-17,56. Если в уравнение подставить среднюю глубину воронок плато (7 м), получим среднюю плотность пещер, равную 11, что близко к приведенным выше расчетам (10 шт./км²). Зависимость, установленная между средней глубиной пещер (у) и объемом воронок (х) описывается уравнением у=0,004х+26,02. Из этого следует, что каждая 1000 м³ образуемых на поверхности пустот соответствует приросту глубины среднестатистической полости на 4 м. Примеры можно продолжить.

Положение осей стабильности (минимальных градиентов) морфометрических показателей поверхностных форм на большинстве карт совпадает. Среднее направление их простирания составляет 10°. Оси стабильности подземных форм также практически накладываются друг на друга, однако азимут их простирания 345°. Оба субмеридиональных вектора сходятся под углом 25° в центральной части северной периферии плато. Угловое несоответствие свидетельствует о различных направлениях развития поверхностного и подземного карста. Оно косвенно подтверждает выводы известных карстологов о несовпадении в карстовых районах поверхностных и подземных водосборов.

Выводы

В итоге, зоны максимальных значений морфометрических показателей поверхностного и подземного карста совпадают только на северной окраине плато в окрестностях пещер Мраморная, Эмине-Баир-Хосар, Эмине-Баир-Коба, что позволяет считать этот участок наиболее перспективным для спелеологических открытий и проникновения в главную дрену массива, ведущую к Аянскому источнику.

Литература

• Амеличев Г.Н. Методы морфолитогенетического анализа грубообломочных отложений и палеогеографическая интерпретация их результатов (на примере массива Чатырдаг, Горный Крым) // Уч. записки ТНУ, сер. География, №15(54), вып. 2, 2002. - С.86-97.
• Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии. — М.: Мысль, 1971. — 375 с.
• Вахрушев Б А., Амеличев Г.Н., Семенова Е.Н. Мраморная пещера // Пещеры. - Пермь, 1999. - вып.25-26.-С. 37-47.
• К пещерам Чатырдага. - Киев: Славутич, 1995.
• Климчук А.Б. Роль приповерхностной зоны карстовых массивов в гидрогеологии и морфогенезе карста. - К.: ИГН АН УССР, 1989. - 37 с.
• Максимович Г.А. Основы карстоведения. - Пермь, 1963, т. 1.-444 с.
• Проблемы изучения карстовых полостей гор южных областей СССР. -Ташкент: ФАН, 1983. -150 с.
• Williams P.W. The role of the subcutanous zone in karst hydrology // J. of hydrology, 1983, t.61. - p. 17-21.