Гидрология пещер

Введение. Практически все подземные полости в той или иной степени обводнены. Степень обводненности пещеры может варьироваться от наличия периодических участков с капелью или конденсатом до случаев постоянного заполнения ее водой.

Вода в пещерах может находиться во всех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном – и переходить из одного в другое. Изучение динамики снежно-ледовых образований – особая задача (см. статью по пещерным отложениям). Водяной пар в воздухе пещер является одной из микроклиматических характеристик, рассматриваемых как влажность воздуха (см. статью по климату пещер).

Под гидрологией пещер предлагается понимать комплекс знаний о водных объектах подземных полостей, воды которых участвуют в водообмене, переносе вещества и энергии и других процессах, связанных с круговоротом воды на планете. Пещерные воды могут быть охарактеризованы с помощью набора физических (температура, плотность, электропроводность, вязкость, радиоактивность, цвет, вкус, запах, мутность) и химических (состав макро-, мезо- и микрокомпонентов, растворенные газы, коллоиды, изотопный состав) параметров, включая комплексные показатели (общая минерализация, сухой остаток, водородный показатель pH, окислительно-восстановительный потенциал ОВП, агрессивность, жесткость, недостаток насыщения). Закономерно повторяющиеся изменения параметров в пространстве и времени свидетельствуют о наличии у водных объектов пещер гидрологического режима (например, сезонно повторяющиеся фазы межени и паводков, циклично чередующиеся периоды циркуляции агрессивных и пассивных вод).

Изучение гидрологии пещер (описание, измерение параметров, мониторинг) имеет большой научный и практический смысл. Пещерные водные объекты, являясь частью более крупных и сложноустроенных подземных водообменных систем, могут быть ключом, как к пониманию особенностей региональной гидрогеологии, так и к решению фундаментальных проблем общей гидрогеологии. Наличие в пещерах водных объектов предоставляет уникальную возможность прямого исследования подземных вод без их искусственного вскрытия (бурения скважин, искусственные выработки), зачастую сопровождающегося нарушением естественных гидродинамических условий. Для большинства естественных полостей (в частности, карстовых) подземная гидрология (гидрогеология) является первостепенным фактором происхождения и развития (эволюции) подземной полости. Таким образом, современная морфология полости является отражением гидрогеологических условий в прошлом (палеогидрогеологические условия) и настоящем, а современная гидрология пещеры будет определять дальнейшую эволюцию полости (до некоторого этапа перестройки гидрогеологических условий).

С точки зрения исследовательской работы в подземных полостях водные объекты могут играть двоякую роль. С одной стороны они являются ценным ресурсом для исследователей: используются для питьевых, санитарно-гигиенических, транспортных целей.  Характер гидрологии пещер может служить руководящим признаком для выбора направлений поисковых работ. Например, поступление в карстовую пещеру или исчезновение из нее крупного водотока указывает на присутствие пока не пройденных продолжений пещеры. С другой стороны водные объекты могут выступать как фактор, затрудняющий исследовательскую деятельность: наличие частично или полностью затопленных ходов (в том числе сифонов), водопады на вертикальных участках, резкие повышения уровня вод в водотоках, озерах и сифонах (паводки), часто с катастрофическими последствиями для исследователей. Недаром вода считается «опасностью номер 1» для исследователей пещер.

Особенности гидрогеологии карстовых пещер. Карстовые пещеры (наиболее распространенный тип естественных подземных полостей) являются фрагментами сложно устроенных карстовых водообменных (водоносных) систем. Таким образом, гидрология карстовых пещер напрямую связана с гидрогеологией карста, являясь ее подчиненной частью.

Основными вместилищами и проводниками подземных вод в закарстованных породах являются трещины (в частичной степени) и каналы – трещины, расширенные растворением (в доминирующей степени). Соответственно, выделяют трещинную и каналовую (собственно карстовую) пустотность и проницаемость, а содержащиеся в закарстованных породах подземные воды называют карстовыми или трещинно-карстовыми. С позиции гидрогеологии закарстованные толщи пород, содержащие подземные воды, называют карстовыми водоносными горизонтами.

Вертикальный разрез карстовых водоносных горизонтов по характеру пустотности и обводненности разделяют на следующие гидродинамические зоны (рис. 1):

Рисунок 1 - Гидродинамические зоны и подземные воды территорий развития эпигенного карста (Ravbar, 2007).

 

- эпикарстовая зона – верхняя часть закарстованной толщи мощностью до нескольких десятков метров, отличающаяся относительно равномерной пустотностью (сеть расширенных растворением трещин) и способная на продолжительное время удерживать некоторый динамический запас влаги (так называемый подвешенный водоносный горизонт), по сути, являющаяся корой выветривания закарстованных пород;

- вадозная зона (ненасыщенная зона или зона аэрации) – зона свободного нисходящего движения вод по трещинам и каналам (так называемый шахтный сток); может иметь мощность от нескольких метров до двух тысяч метров и более;

- эпифреатическая зона – зона сезонных колебаний уровней вод (верхней границы фреатической зоны); может иметь мощность в несколько десятков и даже сотен метров.

- фреатическая зона (зона полного насыщения) – нижняя часть закарстованной толщи, все пустоты которой полностью заполнены водой (за исключением пустот с защемленным воздухом); характеризуется преимущественно горизонтальным движением вод по направлению напорного градиента (гидравлического уклона); в ней различают подзоны интенсивного и замедленного водообмена.

Питание карстовых водоносных горизонтов в классическом представлении может происходить посредством инфильтрации, инфлюации и конденсации. Инфильтрацией предлагается называть рассеянное просачивание атмосферных осадков вглубь почвы и горных пород, инфлюацией – концентрированное проникновение поверхностных вод в породу (поглощение руслового стока). Соотношение долей инфильтрационного и инфлюационного питания зависит от физико-географических условий развития карста. Как правило, для открытого карста характерно преобладание инфильтрационного питания; в случае покрытия закарстованных пород слабопроницаемыми отложениями резко возрастает роль инфлюационного питания. Конденсационное питание может составлять существенную долю в случае развитости и значительной обнаженности эпикарстовой зоны (голый карст) и интенсивной воздушной циркуляции внутри карстовых массивов. Этот вид питания может достигать 18-30% от общего стока подземных карстовых вод (Вахрушев, Вахрушев, 1999). Следует отметить, что согласно современной эволюционно-генетической классификации карста (Климчук, 2010) приведенные виды питания справедливы для случая гидрогеологически открытых (безнапорных) условий (эпигенный карст). В случае закрытых гидрогеологических условий (гипогенный карст) схема питания карстовых водоносных горизонтов иная. Она будет основываться на движении вод в зоне полного насыщения в сторону снижения напорного градиента внутри водоносного горизонта (артезианская схема формирования подземных вод) и/или на перетоке из нижележащих водоносных горизонтов в вышележащие.

Гидродинамика. Для карстовых вод, как правило, характерны высокие скорости движения (за исключением зоны замедленного водообмена). В пещерах Крыма и Западного Кавказа максимальная скорость достигает 3 м/с (получена при прямых измерениях вертушкой в сужениях русел подземных водотоков). Осредненная скорость движения карстовых вод по результатам 50 экспериментов по трассированию составила 0,03 м/с или 2600 м/сут. (Дублянский, Кикнадзе, 1984). Режим карстовых вод обычно отличается высокой изменчивостью. В паводок происходит быстрый подъем уровня воды (может составлять несколько метров в час) и его спад (обычно с несколько меньшей скоростью).

При движении карстовых вод от области питания к контуру разгрузки происходит постепенная концентрация стока. Выход карстовых вод обычно локализуется на небольшой территории (точечная разгрузка) в виде источника (группы источников). Может иметь место субаквальная разгрузка карстовых вод (выход ниже уровня моря, озера или реки).

Гидрохимия. Химический состав пещерных вод определяется главным образом составом пород, вмещающих пещеру. В случае карбонатных пород (известняки, доломиты, мел, мрамор) в ионном составе вод будут преобладать из анионов – карбонаты, из катионов – кальций и магний. В случае сульфатных пород (гипсы, ангидриты), соответственно, из анионов – сульфаты, из катионов - кальций и магний. В случае галоидных пород – хлориды, натрий и магний. Из состава газов повсеместно распространен углекислый газ; он же имеет определяющее значение для карстового спелеогенеза поскольку его содержание обуславливает агрессивность вод (углекислотная агрессивность). Формирование состава вод зоны замедленного водообмена и гидротермальных вод имеет гораздо более сложный механизм, поэтому он менее предсказуем. Как правило, состав этих вод значительно отличается от вод зоны свободного водообмена: они отличаются повышенной минерализацией, наличием редких химических элементов (йод, бор, бром), разнообразным газовым составом (сероводород, гелий, радон). Для вод естественных пещер некарстового происхождения (пещеры в ледниках, вулканических породах) характерна низкая минерализация (ультрапресные воды). Большой интерес для гидрогеологов может представлять изотопный состав воды (содержание тяжелых изотопов водорода и кислорода), поскольку он дает информацию о происхождении и возрасте подземных вод.

Типология пещер по гидрологическому режиму (обводненности). Общепринятой классификации пещер по гидрологическому режиму не существует. За основу для типизации возьмем словарь «Терминология карста» (Тимофеев, Дублянский, Кикнадзе, 1991), содержащий термины, взятые из научной карстолого-спелеологической литературы. Обобщая определения словаря можно выделить следующие категории пещер относительно их гидрологической активности:

- пещеры гидрологически активные (синонимы: обводненные, живые) – обводненные карстовые полости, имеющие подземный водоток (постоянный или сезонный) или находящиеся (хотя бы частично) в зоне полного насыщения (фреатической) или зоне сезонных колебаний уровня подземных вод (эпифреатической), то есть продолжающие свое спелеогенетическое развитие;

- пещеры гидрологически неактивные (синонимы: реликтовые, мертвые, сухие) – полости, в настоящее время находящиеся за пределами действия активных гидрологических факторов; гидролого-гидрогеологические процессы завершены, могут иметь место лишь конденсационные водопроявления.

По выполняемым функциям в карстовых водообменных системах (КВС) выделяются: пещеры-поноры – полости, через которые происходит или происходило  поглощение поверхностного водотока (постоянного или временного) в области питания КВС (в случае инфлюационного типа питания); вскрытые пещеры – полости, относящиеся к транзитной части подземной водоносной системы, вход в которые образовался в результате обвала ее кровли и соединения с поверхностью; пещеры-источники – полости, через которые осуществляется или осуществлялся выход вод на дневную поверхность в области разгрузки КВС. Существуют редкие случаи, когда пещера пройдена от начального до конечного звена КВС (например: пещерная система Красная-Голубиная, Горный Крым; пещерная система Акшаша-Мчишта, Западный Кавказ).

По отношению к гидродинамическим зонам выделяют соответственно пещеры вадозные и фреатические. Отдельно выделяют затопленные пещеры – пещеры, образованные в вадозной гидродинамической зоне (о чем может свидетельствовать, например, наличие натечных и капельных отложений), но затем заполненные водой вследствие опускания суши или поднятия уровня водного бассейна (Дублянский, Ломаев, 1980).

Методика наблюдений. Пещерные водные объекты с одной стороны являются частью подземной гидросферы Земли (гидрогеосферы), с другой стороны зачастую имеют черты поверхностных гидрологических объектов. Так водотокам подземных полостей свойственен турбулентный характер движения, который не встречается в других типах подземных вод, но характерен для поверхностных водотоков. Гидрография пещер часто является аналогичной поверхностной гидрографии: наличие постоянных и периодических водотоков, озер, ванн, что не характерно для типичных подземных водоносных горизонтов порового и трещинного типов. Эта особенность определила широкий набор методов, используемых при изучении гидрологии пещер.

Поскольку пещерные водные объекты предполагают их доступность для человека, их режим может изучаться с помощью методов поверхностной гидрологии. Так скорость подземных водотоков может фиксироваться с помощью гидрометрических вертушек, плавучих предметов (поплавковый метод). Для определения расхода водотоков кроме их скорости необходимо знать площадь сечения потока; для этого находится или организовывается участок (створ) с постоянной площадью сечения на некотором протяжении потока (обычно достаточно 1-2 метров), в пределах которого и производится замер скорости потока. Напрямую расход водотока можно замерять методом слива. Более подробно о методике гидрометрических наблюдений можно почитать в специальных методических руководствах (Лучшева, 1983).

Для установления гидравлической связи внутри КВС (между отдельными пещерами,  отдельными частями одной пещеры, пещерой и выходом на поверхность) и определения скорости движения подземных вод в случае недоступности отдельных звеньев КВС успешно используются индикаторные эксперименты. Заключаются они в трассировании КВС с помощью индикаторов (меток, трассеров), в качестве которых обычно используются флуоресцентные красители (флуоресцеин, эозин, радомины и пр.). Главное преимущества этого вида трассеров – высокий порог его фиксации на выходе (даже при микроскопических концентрациях), относительная безвредность для живых организмов, длительное время сохранения флуоресценции в условиях отсутствия света. Более подробно про индикаторные эксперименты можно почитать здесь (Ниязов, 1983, с. 124-130). Наиболее актуальная информация по трассированию подземных вод флуоресцентными красителями дана в работе (Alley, 2002.).

Физические свойств и химический состав могут определяться как непосредственно в полевых условиях, так и путем отбора пробы воды и ее дальнейшего анализа в лаборатории. На месте определяются наиболее динамичные параметры: температура, pH, содержание углекислоты и других газов (возможен отбор проб для анализа газового состава в лабораторных условиях по особой методике). Для детального определения состава воды необходим лабораторный анализ. Объем отбираемой пробы воды зависит от того, по скольким параметрам будет проводиться анализ. В случае простого анализа на содержание 6 основных ионов необходимо минимум 0,5 л воды. В случае расширенного химического анализа – 1,5 л, для полного анализа – две емкости по 1,5 л. В качестве емкостей можно использовать пластиковую тару - бутылки из-под питьевой воды. Для изотопного анализа обычно достаточно объема пробы 5-10 мл. Во всех случаях при отборе пробы необходимо 2-3 раза прополоскать емкость отбираемой на пробу водой. Отбор воды на микробиологический анализ гораздо более специфичный и сложный, чем на химический анализ. Основными условиями являются наличие стерильной посуды объемом 0,5 л, соблюдение максимальной стерильности при отборе пробы и быстрая доставка пробы в лабораторию (за несколько часов после отбора).

В настоящее время широкое распространение получили экспресс-методы определения свойств и состава вод. Это обусловлено развитостью соответствующей приборной базы и ее доступностью. На измерении электрофизических свойств вод основаны приборы кондуктометры (солемеры), pH-метры и ОВП-метры (рис.2, слева). Кондуктометры предназначены для расчета общей минерализации водных растворов путем прямого измерения температуры и удельной электропроводности c использованием известных математических зависимостей. Такие приборы хорошо подходят для получения предварительной картины о минерализации воды, которую, в случае необходимости, можно в дальнейшем уточнить с помощью химического анализа. Для автономного мониторинга параметров воды (уровня, температуры электропроводности, pH, ОВП) существуют соответствующие программируемые запоминающие устройства – логгеры (самописцы). Существуют различные конструкторские решения таких логгеров: завершенные варианты с совмещенными датчиками и логгером в одном устройстве (рис. 2, справа); варианты с раздельными датчиками и логгером, т.е. возможно комбинирование подключаемых к логгеру датчиков (рис. 2).

Гидрологическое описание пещер. Описание гидрологии пещер сводится к выявлению всех точек обводненности и нанесению их на план и разрезы в виде специальных условных знаков (см. статью по топографической съемке пещер). Определяется отношение к современным или древним поверхностным водотокам, наличие участков капели, конденсации, постоянного обводнения в виде озер (ванн), подземных рек, сифонных каналов, участков обводненных трещин, скоплений льда и снега. Выявляется происхождение воды (инфильтрационное, инфлюационное, конденсационное). Для этого используются данные о температуре и химическом составе вод, а также визуальные наблюдения. Определяется расход воды пещерных водотоков и иных водопроявлений, объем воды в озерах и ваннах. Режим обводненности пещеры устанавливается по морфологическим следам изменения уровня воды (примазки глины, натечные коры, изменение цвета породы), наличию водно-аккумулятивных отложений (песок, гравий, галька), а также на основе опросных данных.

 

Рисунок 2 - Примеры приборов для наблюдения за параметрами воды

Слева - комплексный прибор pH-ОВП-кондуктометр-термометр YSI Pro-Plus; справа - программируемое записывающее устройство (логгер) с датчиками уровня, электропроводности и температуры воды Solinst LTC.

Рисунок 3 - Пример станции мониторинга воды в пещере Крампс Кейв, США, штат Кентукки.

Для лучшего понимания гидрологии пещер необходимы маршрутные исследования на поверхности. Устанавливают и обследуют вероятные области питания и разгрузки подземных вод КВС, к которой относится изучаемая пещера. Выясняются условия формирования подземного стока (инфильтрационное дождевое или снеговое, инфлюационное речное, снеговое или ледниковое питание), определяется площадь питающего водосбора. При наличии постоянного или периодического стока в полость определяется его расход в момент наблюдения.

С точки зрения планирования тактики исследовательской работы в пещерах особо важной является информация о наличии и параметрах сифонов. Пещерный сифон можно определить как фрагмент пещеры, до потолка заполненный водой. В продольном профиле он обычно представляет собой ход (канал) коленообразной формы. Основные параметры сифона: протяженность и глубина до перегиба потолка хода наверх. Кроме того, важными характеристиками сифонов являются форма хода и его размеры в сечении, направление и скорость течения (при наличии), мутность/прозрачность воды. Также определяются источники питания сифонов, связь с ними (изолированный снизу «подвешенный» сифон либо имеющий гидравлическую связь с нижними горизонтами), возможность его дренажа.

Более подробная методическая информация по гидрологическому исследованию карстовых пещер дается в работе (Ниязов, 1983).

Список использованной литературы

1. Вахрушев Б.А.,  Вахрушев И.Б. Роль карстовых конденсационных вод в водном хозяйстве античных и средневековых поселений Керченского полуострова // Культура народов Причерноморья. – 1999. – № 10. – С. 7-10.
2. Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З.Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. – М.: Наука, 1984. – 128 с.
3. Дублянский В.Н., Ломаев А.А. Карстовые пещеры Украины. – Киев: Наук. думка, 1980. – 179 с.
   
4. Климчук А.Б. Эволюционная типология карста // Спелеология и карстология. – 2010. - № 4. – С. 23-33.
   
5. Лучшева А.А. Практическая гидрометрия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — 423 с.
   
6. Проблемы изучения карстовых полостей южных областей СССР / под ред. Р. А. Ниязова. - Ташкент: Фан УзССР, 1983. - 150 с.
   
7. Тимофеев Д.А.,  Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З.. Терминология карста. – М. Наука, 1991. – 259 с.
   
8. Alley T. Groundwater tracing handbook. – Ozark Underground Laboratory, 2002. – 44 p.
   
9. Ravbar N. The protection of karst waters.– Postojna-Ljubljana, 2007. – 254 p.