Основным объектом исследования спелеологии является «пещера». Геоморфологический и общегеографический подход в определении термина «пещера» подразумевает некое подземное пространство доступное для непосредственного описания и изучения человеком (Дублянский, Андрейчук, 1991; Ford, 1989; Толковый словарь…,1977; Цыкин, 1985; Burcham, 2009; Lexicon of cave.., 2002). Тем не менее, имеется более 30 известных определений «пещеры», в которых имеются и другие подходы (Birol , 1976; Барков, 1954; Маруашвили, 1969; БСЭ; Щукин, 1980; Ушаков, 1937; Monkhouse, 1970; Зайцев, 1940; Ford, 1977; Климчук, 1985). Например, по определению А.Б. Климчука (Климчук, 1985), пещера - это естественное тело в пределах растворимых горных пород, образованное в результате расширения и преобразования первичных полостей при химическом и механическом воздействии подземных вод. Под данное определение попадают полости размером более 10 мм (по Д.Форду – условный порог перехода от ламинарного потока к турбулентному). Однако, для такой полости провести топографическую съемку (основной документ паспортизации в кадастре) не представляется возможным.
Рассматривая пещеры как целостное географическое явление, в качестве их минимальных размеров принимается подземное пространство доступное для человека, заполненное воздухом или водой, при условии, что значение глубины (длины) является намного большим, чем диаметр входа. В противном случае эти объекты относятся к таким геоморфологическим категориям, как гроты, навесы, воронки и др.
Подземные полости, имеющие морфометрические параметры не соизмеримые с антропометрическим фактором следует отнести к трещинам, водоносным каналам, кавернам и т.д.
Нельзя не оговориться, что антропометрические ограничения накладывают некоторую неопределенность на метрические характеристики понятия пещеры. Однако при этом, карстовая полость, достигая антропометрических показателей, выявляет системообразующие свойства своей внутренней организации. Начиная с этого момента морфография (конфигурация) и морфометрия (объем, глубина, протяженность и др.) начинают влиять на дифференциацию гидрохимических, микро- и макроклиматических, седиментационных и других процессов – возникает особая пещерная геосистема, обладающая собственными (эмерджентыми) системообразующими свойствами.

Морфология полостей во многом зависит от их происхождения. Это справедливо как к естественным, так и к искусственным полостям. Кроме того, морфологические характеристики пещер во многом обусловлены историей их развития. Наиболее сложную морфологию имеют полости прошедшие гипогенную, а затем и эпигенную стадию спелеогенеза.

В гипогенной (фреатической по ранней классификации) зоне, где всё поровое и гидравлически взаимосвязанное трещинно-каналовое пространство заполнено восходящими напорными водами, галереи, доминирующие в своем развитии, отсутствуют. Вся формирующаяся сеть пещерных ходов развивается без конкуренции за питание. Возникают пещерные системы, имеющие сетчатый, лабиринтовый или кластерный характер (рис. 1, А, Б). Они, как правило, связаны с толщами переслаивания карстующихся и некарстующихся, хорошо и слабопроницаемых пород, что создает условия для сохранения напорных (артезианских) условий водообмена и спелеогенеза различной степени активности (Климчук, 2013). В случаях гидротермокарстового спелеогенеза горячая инжекция агрессивных флюидов приводит к образованию изоморфных полостей, вертикальных сквозьформационных зон с богатым комплексом форм растворения, окаймляющим транслирующие каналы.

При вертикальных (напорных) перетоках из нижележащих горизонтов возникают характерные морфологические черты гипогенных полостей. Это ниши, каверны, «карманы» и фреатические каналы в стенах пещер, разнообразные скульптурные углубления в сводах в виде округлых куполов и «каминов», а также истонченные коррозией межгалерейные перегородки и их фрагменты в виде «подвесок».

Рисунок 1 - Типичные структуры пещерных сетей в плане (Климчук, 2013)

А и Б - гипогенного карста (А – фрагмент южной части пещеры Озерная; Б – изолированные каналы и их кластеры, вскрытые катакомбами Одессы), В – эпигенного карста (пещерная система Кизил-Коба)

Важным морфологическим признаком гипогенных полостей является наличие в них так называемых «фидеров» - субвертикальных питающих каналов с расширенными устьевыми частями у пола пещеры. Иногда они могут располагаться в виде уходящей вниз трещины по оси крупных галерей (рифтовые фидеры). Их гидрогеологическая функция – это концентрация и передача восходящих потоков и струй от подстилающего (питающего) водоносного горизонта в нижнюю часть карстующейся толщи. Здесь начинается транзитный участок с собственной специфической морфологией (ниши, каверны, стенные желоба). Эти формы перенаправляют напорные воды к ближайшей области разгрузки (участку с минимальным напорным градиентом). Область разгрузки располагается у кровли карстующейся толщи, где сосредоточена своя группа полостных образований - потолочные каналы, арки, купола, камины. Вся совокупность форм (рис. 2), представленная в областях питания, транзита и разгрузки получила название «морфологический комплекс восходящих потоков» (Климчук, 2013).

Рисунок 2 - Типичная морфология гипогенных полостей в вертикальном сечении и номенклатура применяемых названий спелеоформ » (Климчук, 2013)

При поднятии территории под влиянием тектоники нарушаются закрытые условия развития полостей гипогенного карста. Происходит постепенная смена вектора питания от восходящего к нисходящему и в итоге переход к открытым стадиям развития (рис. 3). Дальнейшее преобразование гипогенных полостей будет всё больше связано с механизмами развития эпигенного карста (приоткрытый, взрезанный, раскрытый). Их морфология будет претерпевать значительные изменения, особенно если в питании, поступающем с поверхности, начинают участвовать концентрированные (русловые) потоки. Однако, морфологические элементы гипогенной стадии их развития почти всегда будут присутствовать в морфографии их ходов, галерей и залов.

Рисунок 3 - Эволюционные типы карста и их соотношение с генетическими типами (Климчук, 2010)

Карстовые полости, развитые в эпигенной (вадозной по старой классификации) зоне образуются целым комплексом экзогенных процессов, оказывающих влияние на их морфологию. Наиболее простой морфологией в эпигенной зоне развития отличаются полости коррозионно-разрывного класса (по классификации (Дублянский, Дублянская, 2004). Они, как правило, имеют форму раскрытых трещин, моделированных в последующем различными (в т.ч. и коррозионными) процессами. Их гравитационные разновидности встречаются на склонах и прибровочных частях горных плато, а сейсмо-гравитационные и тектонические - могут образовываться и во внутренних частях горных массивов. Глубина этих подземных форм может достигать 100 м и более. Они используют трещины отседания и разгрузки склонов. Они имеют простую в виде клина форму, чаще всего на определенной глубине перегорожены глыбовыми завалами. Узкие непроходимые для человека щели могут продолжаться далее на значительную глубину (рис. 4).

Рисунок 4 - Образование коррозионно-гравитационных полостей на бровках обрывов (I) и в смещенных блоках (II) Крыма (Дублянский, 1977)

а – план, б – разрез. Типичные пещеры и шахты: А – Ветровая, Б – Мердвень, В – Туакская.

В некоторых случаях трещины разгрузки склонов могут состоять из нескольких отступающих от бровки массива разрывов. Заложенные по ним полости морфологически представлены несколькими (соответствующими количеству разрывов) параллельными склону трещинными ходами, которые связаны узкими переходами. Такие полости встречаются и в скальных некарстующихся массивах.

Пещеры, заложенные вдоль раскрытых тектонических нарушений, обладают значительными объемами (n·10³-10⁴м³). В них часто присутствуют слабо уплотненные большой мощности (до 100 м) глыбовые завалы. Продолжающиеся тектонические подвижки приводят к разрывам цементирующих глыбы натеков. Для них также специфичен и газовый состав пещерной атмосферы.

Простую морфологию имеют и полости нивально-коррозионного класса. К ним относятся вертикальные полости различной глубины, не имеющие значительных боковых ходов (рис. 5). Они образованы коррозией снеговых талых высоко агрессивных вод. Нивально-коррозионные полости часто образуются в результате интенсивного спелеогенеза в эпикарстовой зоне над спелеоактивными трещинами, уходящими вглубь карстующихся пород.

Рисунок 5 - Морфология нивально-коррозионных колодцев (А) и шахт (Б)

Подтипы: I – конусовидный, II – цилиндрический, III – щелевидный, IV – сложный; а – планы-срезы, б – разрезы

Наиболее сложным морфологическим обликом обладают коррозионно-эрозионные полости. К этому классу относятся все крупнейшие полости эпигенного происхождения, нередко образующие карстовые водоносные системы древовидного характера в плане (рис. 1, В). Последние состоят из инициальной (пещеры- и шахты-поноры), транзитной (вскрытые пещеры или невскрытые центральные части пещерных систем) и финальной (пещеры- и шахты-источники) частей.

Пещеры- и шахты-поноры могут формироваться в руслах временных и постоянных водотоков, поглощая концентрированный поверхностный сток. Часть пещер этого типа могут образовываться на водоразделах, поглощая сток формирующийся в основании эпикарстовой зоны. Вскрытые пещеры состоят из более древней горизонтальной части, которая вскрыта более молодой вертикальной полостью. Пещеры- и шахты-источники, как правило, располагаются в основании склонов горных массивов и в долинах рек. Часто они имеют несколько пещерных этажей, связанных с изменением местного базиса эрозии и карстования. Морфология коррозионно-эрозионных пещер во многом зависит от геологических (мощность, слоистость, условия залегания карстующихся пород и др.) и структурно-тектонических (наличие складчатых и разрывных нарушений) условий карстовых массивов.

Полости коррозионно-абразионного класса, развитые в береговой полосе крупных водоемов, имеют простую морфологию. Они представляют собой расширенные и углубленные волно-прибойной деятельностью и растворением гроты и ниши, устьевые участки выходящих к морю коррозионно-эрозионных полостей.

Площадную и вертикальную конфигурацию полостей отмеченных выше классов часто контролируют крупные тектонические нарушения. Реакцию карстовых форм на этот контроль отражает их морфология – направления заложения поверхностных и подземных карстовых форм, их пространственное распределение и ориентация, конфигурация пещерных ходов и залов, нарушенность карстовых галерей и натеков, специфика карстовых отложений (гидротермальных, сейсмогравитационных, гравитационно-тектонических и др.).

Наиболее четко блоковый характер тектонической нарушенности закарстованных территорий подтверждается особенностями заложения карстовых полостей (рис. 6). Карстовые полости могут занимать разное положение по отношению к разломам, ограничивающим тектонические блоки. Крупные нарушения, пересекающие карстовые массивы, переориентируя сток карстовых вод, «заставляют» карстовые полости следовать своему простиранию, иногда на расстояние 500-1000 м (Красная, Алешина вода и др. – Крым; Географическая, Назаровская, Соколова и др. – Кавказ).

Рисунок 6 - Планы и разрезы шахт Географической (1-2), Девичьей (3-5), Величественной (6-9) на Западном Кавказе (Дублянский и др., 1985)

Ряд карстовых полостей используют всё геологическое пространство тектонического блока. В приразломных зонах, ограничивающих блоки, где тектонические трещины максимально раскрыты, формируются вертикальные участки полостей (рис. 6, 7). В центральных частях блоков закладываются соединяющие их субгоризонтальные галереи или сифонные каналы. Такие галереи могут возвратиться к приразломной зоне, но уже значительно ниже, затем вновь уйти в глубину массива в виде каскадов колодцев и шахт.

Определенное представление о тектонической (блоковой) структуре территорий, в сложении которых участвуют карстующиеся породы, дает изучение продольного профиля подземных карстовых форм. По данным В.Н. Дублянского с соавторами (Дублянский и др., 1985), профили равновесия крупнейших карстовых шахт Альпийской складчатой области описываются эмпирической формулой:

Y = ae^bx

где х – расстояние от входа, м; y – абсолютная высота, м; а,b – числовые коэффициенты.

Рисунок 7 - Пещерная система Назаровская (Дублянский и др., 1985)

Полости: 1 – Барибан, 2 – Осенняя, 3 – Примусная, 4 – Назаровская. Притоки: 5 – из Дворцовой, 6 – из Величественной, 7 – из Географической.

Карстовые полости Крыма и Кавказа по характеру продольного профиля, рассчитанного по приведенной формуле, подразделяются на три группы: 1) с крутым профилем, где каскады внутренних шахт и колодцев располагаются в краевых частях блоков, развиваясь в глубину вдоль ограничивающих их нарушений. Морфологию таких полостей на Кавказе иллюстрируют геологические разрезы карстовых шахт Девичьей, Заблудших, привходовые участки шахт Величественная, Географическая и другие; 2) профиль средней крутизны, в соответствии с которым полости развиваются в пределах всего тектонического блока, пересекая его от одного нарушения к другому (шахта Величественная, верхние участки шахт Назаровская, Примусная); 3) с пологим (выработанным) профилем, где полости представлены протяженными карстовыми системами, переходящими из одного блока в другой. Их морфология представляет собой комбинацию двух вышеприведенных групп полостей. Переход пещерных ходов из одного тектонического блока в другой осуществляется посредством сифонных каналов, если имеется подпор подземных вод в приразломной зоне. В определенных случаях здесь могут вырабатываться крупные обвальные залы, одна из стенок которых представлена плоскостью сместителя, ограничивающего блок нарушения.

Таким образом, карстовые массивы и пещеры, развитые в них, используя в своем развитии тектонические нарушения дизьюнктивного и складчатого характера, четко выявляют блоковую структуру закарстованных территорий.

Среди некарстогенных полостей особой морфологией отличаются пещеры вулканических областей (Камчатка, Курильские острова и др.). Среди них наиболее часто встречаются полости, образованные газовыми пузырями в застывшей магме или лаве. Они имеют округлые формы и диаметр до нескольких метров. К спелеогигантам следует отнести вулканические пещеры, образованные в базальтовой или андезитовой лаве. В связи с их низкой вязкостью лавовые потоки могут достигать длины в несколько километров. Их поверхность быстро твердеет, а жидкая лава вытекает из застывшего «футляра», образую лавовые туннели – крупнейшие полости эндогенного класса (Казумура, Гавайи, 60,1 км; Манжун-Гул, Корея, 13,3 км и др.).

Таким образом, изучение морфологии полостей позволяет раскрыть особенности их происхождения и развития.

Изучение морфологии пещер предусматривает одновременное или последовательное применение морфографических, морфометрических и морфогенетических методов (Проблемы … , 1983).

Морфология пещеры – это ее внешний облик, который можно изучать качественно (морфография) и количественно (морфометрия), тесно связанный с генезисом и возрастом.

Морфологическая характеристика пещер представляет собой иерархическую систему различных уровней охвата подземных пространств.

Региональная характеристика включает региональный и межрегиональный анализ морфологии пещерных систем с применением сравнительно-аналитического метода исследования. Например, выявление преобладания субвертикальных каскадных пещер на высокогорных массивах и лабиринтовых или древовидных субгоризонтальных пещер на равнинных участках.
Характеристика отдельных пещер - генерализованная качественная и количественная характеристика всей совокупности пещерных элементов. Для крупных пещер выявляются специфические морфологические участки. Используется метод регионального геоморфологического анализа, основанный на выявлении особенностей географического распространения форм подземного рельефа и их комплексов, а также их пространственно-временных закономерностях. На основе этого метода строится морфологическое районирование пещерной системы. Например, входная обвальная зона – субвертикальная зона – зона древних фоссильных галерей – субвертикальная зона – донная субгоризонтальная зона.
Характеристика отдельных элементов пещеры. Приводится описание крупных элементов пещерной системы – залы, колодцы, сифоны, галереи и т.д. К мезоформам подземного рельефа помимо форм, созданных коррозионными процессами (растворением), относятся и крупные гравитационные формы – обвально-осыпные залы, крупно-глыбовые завалы в колодцах и т.п. Морфологическая характеристика на мезоуровне дает представление о происхождении, возрасте и динамике развития данной формы. При анализе форм рекомендуется применение сравнительно-морфологического метода, который предназначен для идентификации подземных форм на основе их сравнения с формами, как в смежных участках пещерной системы, так и в других пещерах для выявления черт сходства и различия, так как это часто связано с единством происхождения.
Характеристика отдельных микроформ. Описываются мельчайшие образования в пределах крупных элементов пещерной системы.

На всех уровнях охвата отдельно описываются денудационные и аккумулятивные формы. К первым относят образования, созданные, прежде всего, коррозионными процессами (ниши, полки, водобойные ямы, купола, стенные каналы, каменные «перья» на стенах и т.п.). Аккумулятивные формы представлены вторичными образованиями. По происхождению они подразделяются на водно-хемогенные (натечные образования), аэрозольно-хемогенные («каменные цветы»), водно-механические (отложения русел подземных рек), гравитационные (обвально-осыпные отложения), биогенные (скопления гуано, биогенные сталагмиты).

При изучении пещер применяется весь спектр морфографических и морфометрических методов. Кроме этого уделяется большое внимание фотографической съемке подземных форм. С успехом применяют методы математического анализа, которые помогают формализовать закономерности процессов морфогенеза, выявить влияние на них отдельных факторов.

Морфографическое исследование подразумевает графическое описание форм подземного рельефа. Оно может выполняться в виде зарисовок, фотографий, схем, инструментального и полуинструментального профилирования, включать в себя создание трехмерной компьютерной модели полости.

Морфографическая характеристика описывает:

Ориентировку элементов пещеры,
Их форму в плане,
Поперечные и продольные разрезы,
Соотношение (взаиморасположение) с другими формами.

Эти сведения могут выявляться как при непосредственных подземных наблюдениях, так и по имеющимся топокартам и фотоснимкам.

1. Изучение ориентировки элементов пещеры. Фиксируются и анализируются:

- преобладающие направления сухих и обводненных галерей (для выяснения условий современного питания);

- заложение молодых тектонических разломов и древних зон трещиноватости с натечным заполнителем (для выяснения палеогидрогеологических условий);

- отклонения от вертикали осей роста сталактитов и сталагмитов, отклонения от горизонтального положения озерных заберегов и оторочек (для выявления тектонических подвижек, условий циркуляции воздуха);

- характер смещенных и обрушенных колонн, сталагмитов и сталактитов (для оценки связи с эпицентрами землетрясений);

- расположение и форма фасеток на потолке и стенках полости, как показатель динамики палеопотоков;

- ориентировка глинистых и песчанистых гряд в руслах подземных рек (для анализа экстремальных паводковых условий).

2. Определение формы элементов пещеры в плане. Играет большую роль для целей морфологической классификации пещер. Для предварительной классификации подземные формы описываются в виде простых геометрических фигур – треугольная, эллипсовидная, прямоугольная. Характеризуется плановый рисунок пещерной системы (лабиринтовый, древовидный, прямоугольный, перистый и т.д.).

3. Определение характера поперечного и продольного разрезов. При топографической съемке зачастую уделяется недостаточное внимание поперечному и особенно продольному профилированию. В наклонных и субгоризонтальных пещерах при топосъемке нитку хода прокладывают там, где удобно для съемщика, а не там где отражается реальная морфология хода. В результате происходит сглаживание продольного профиля.

Согласно морфографической классификации продольных сечений выделяют профили:

- прямой,

- выпуклый,

- вогнутый,

- ступенчатый (каскадный),

- выпукло-вогнутый.

Изучение поперечных сечений помогает выявить генезис и эволюцию развития пещеры. Поперечные сечения могут быть округлыми, треугольными, овальными, симметричными, асимметричными. Поперечные сечения позволяют выявить особенности формирования и возраст форм рельефа.

Для более детального изучения морфологических особенностей пещер применяют метод фотодокументации. Различают три основных вида фотодокументации: массовую, детальную и специальную.

Массовая фотодокументация – это сплошная съемка стенок и сводов полости, увязанная с опорными пунктами топографической сети. В последние годы широко применяется сплошная видеосъемка с помощью небольших камер, установленных на касках спелеологов. Особенно информативна видеосъемка в затопленных участках пещер. Для использования видеоматериалов в качестве документации необходимо фиксировать в кадре элементы, отображающие масштаб и точку привязки к реперам.

Детальная фотодокументация проводится для типичных морфологических элементов пещеры, интересных в геологическом отношении участков, фиксируются вторичные аккумулятивные отложения. Съемка ведется с указанием масштаба. В пикетажном журнале записывается привязка к элементам топографической сети, фотографии ориентируются по сторонам света. Для удобства привязки фотографий в точке съемки записывается время снимка. Идентификация цифровой фотографии проводится по записанному времени в пикетажном журнале и времени создания снимка, указанному в его свойствах.

Специальная фотодокументация применяется при различных тематических исследованиях. Например, съемка глиняных сталагмитов и сталактитов в пещере.

Трехмерная компьютерная модель пещеры дает наглядное представление о пещере и может использоваться для расчетов ее морфометрических характеристик. Промышленные образцы геосканеров (например, лазерный сканер Leica ScanStation P40) позволяют быстро и точно построить объемную модель подземной полости, однако характеризуются высокой стоимостью. Цифровые приборы в более низком ценовом диапазоне (например, лазерный дальномер Leica DISTO Х2) в настоящее время широко применяются при топосъемке пещер. Если при “классической” топосъемке с помощью рулетки на каждом пикете обычно измеряются лишь параметры lrud (лево, право, верх, низ), дающие очень приблизительные параметры хода и не позволяющие описать форму его сечения, то данные приборы позволяют снимать контуры ходов пещеры. Первичным данными здесь являются множественные измерения до характерных точек стен, потолка и пола полости. В итоге формируется массив данных точек, позволяющий построить трехмерную модель пещеры (геосканер делает это автоматически, для обработки данных, полученных при использовании определенных методических приемов с помощью лазерных дальномеров, используются специальные программы).

Морфометрическая характеристика – количественная характеристика форм подземного рельефа.

Представление о количественной стороне явления можно получить в ходе:

1) Измерения параметров форм непосредственно под землей,

2) Изучения существующих топосъемок,

3) Анализа фото- и видеоизображений.

Для целей кадастрового учета пещер морфометрические показатели подразделяются на несколько групп.

Линейные показатели.

Длина (протяженность, L, м). Несмотря на кажущуюся простоту в определении данного параметра, возникает ряд вопросов по технике и тактике измерения длины подземной формы. Чем более мелкая форма, тем более легко и точно можно определить ее протяженность. Например, длина отдельного тонкого пустотелого сталактита измеряется с помощью лазерного дистометра с точностью до 0,001 м. Идеальный случай, когда понятна начальная и конечная точка формы. Для более крупных мезоформ подземного рельефа точное определение значения длины становится затруднительным. Так, при измерении глубины колодца начальная и конечная точки могут варьироваться в лучшем случае в пределах нескольких сантиметров, а чаще десятков сантиметров. Этому способствуют объективные и субъективные факторы. Как на дне колодца, так и в верхней его части рельеф обычно крайне неоднороден. Даже при небольшом параллельном смещении измерения (без нарушения вертикальности) глубина колодца может значительно отличаться. Выбор линии съемки оси хода (вертикального или горизонтального) зависит от личных качеств съемщика. Подобная проблема возникает и при измерении длины (протяженности) всей пещеры (макроформы). В зависимости от положения «нитки» хода, проложенной съемщиком относительно стенок галереи, колодца, внутри глыбового завала, длина пещеры может изменяться в пределах полутора десятков процентов. С одной стороны, съемщик должен вести «нитку» хода по центру галереи или колодца, с другой стороны – пикеты и реперные точки удобней и практичней располагать на стенах пещеры. При этом вместо линии, идущей по центру хода, формируется зигзаг, отличающийся по длине в большую сторону.

За длину хода наиболее корректно принять длину линии, равноудаленной от стен, потолка и пола. Методика для нахождения линии, равноудаленной от стен, и, соответственно, проективной длины, описана в работе А.П. Грачева (Грачев, 2010). В ней для определения длины применяется диаграмма Г.Ф. Вороного и связанная с ней триангуляция Б.Н. Делоне. Для расчета длины пещеры, как протяженности равноудаленной линии, должна использоваться трехмерная компьютерная модель полости.

Международным спелеологическим союзом длину пещеры рекомендовано определять как величину, соответствующую реальному пути, проходимому под землей исследователем.

Проективная длина (L_пр, м) определяется как сумма длин проекций ходов на горизонтальную плоскость (L_пр= L · cos α).

Глубина (высота) полости (Н, м) определяется как разность между абсолютными отметками входа полости и ее нижней (верхней) точки. Глубина высчитывается математически по данным топографической съемки или гидронивелирования.

Амплитуда полости (А, м) определяется как разность высот верхней и нижней точек полости. Если пещера имеет один вход, то ее общая амплитуда состоит в общем случае из двух слагаемых, например, запись 45(+15/-30) означает наличие 15-метровой по высоте восходящей части и 30-метровой по глубине нисходящей. В случае же пещерной системы с несколькими входами такое разбиение, очевидно, становится условным (в этом случае один вход условно принимается за главный).

Ширина (b), высота (h) – параметры, чаще применяющиеся к мезо- и микроформам подземного рельефа. В редких случаях для пещерных систем возможно использование усредненных параметров ширины и высоты.

Площадные показатели.

Площадь (S, м²) пещеры или формы подземного рельефа.

Площадь полости. Определяется как площадь проекции ходов пещеры на горизонтальную плоскость. Применяется при региональной оценке и классификации пещер, морфометрическом и морфографическом анализе, а также при геоморфологическом математическом анализе. При «классической» съемке точный подсчет площади часто затруднителен, что связано с особенностями морфологии полости. Узкий и высокий меандр, прохождение которого возможно на разных уровнях, вносит высокую степень субъективности в оценку «дна» хода. А узкая наклонная трещина, постепенно выклинивающаяся по углам, в проекции на горизонтальную плоскость даст несоразмерно завышенную площадь.

Площадь может быть высчитана по отрисованному плану полости вручную “по квадратикам”, как это обычно делали до того, как компьютеры стали общедоступными. При наличии цифровых данных топосъемки (длина хода между пикетами, ширина хода на пикетах) ход разбивается на множество частей, отвечающих пикетам, для каждого из них приблизительно находится проекция площади хода на горизонтальную поверхность

S = L_пр· b_ср

где L_пр- проективная длина, b_ср - средняя ширина хода. При съемке лазерным сканирующим оборудованием контуров хода полости для определения площади полости производится проекция на горизонтальную поверхность и далее непосредственно рассчитывается площадь горизонтального сечения. Однако и здесь имеются определенные допущения. При сканировании лазерными приборами выстраивается объемная модель хода с зачастую недоступными для человека участками по антропометрическим показателям. При ее проекции на горизонтальную поверхность значение площади будет несколько завышенным (как в случае с узким наклонным ходом).

Площадь мезо- и микроформ рельефа определяются по необходимости. Например, не имеет смысла определять площадь отдельного геликтита и сталактита, но знание о площади галечниковых отложений или глыбового завала довольно информативно.

Площадь пещерного массива. Есть несколько подходов. А.Б. Климчук (Климчук, 2008) предлагает определять площадь пещерного массива как площадь многоугольника, описывающего пещеру. По его оценке степень субъективности выбора формы многоугольника дает вариации площади в пределах 10 %. В.Н. Дублянский (Проблемы...,1983) считает, что подобный подход вносит неопределенность в вычисления и предлагает для расчета использовать следующие параметры:

S_k = L_k · B_k

где L_k– расстояние в плане между двумя наиболее удаленными точками полости по ее длинной оси; B_k - расстояние в плане между двумя наиболее удаленными точками по перпендикуляру к длинной оси; S_k – площадь так называемого параллелепипеда Корбеля (пещерного массива). При этом величина S_kбудет несколько завышенной. Для более корректных измерений S_k предлагается разбивать плановый рисунок пещеры на условно элементарные участки и уже для них применять вычисление. Итогом будет математически обоснованный описанный многоугольник вокруг пещеры.

Объемные показатели.

Объем (V, м³) полости или формы подземного рельефа вычисляется по формуле:

V = ∑ V_i

где V_i – объем различающихся по морфологии элементарных участков полостного пространства. Он может вычисляться и по имеющимся бумажным топосъемкам. Методика описана В.Н. Дублянским (Проблемы...,1983). Для горизонтальных полостей объем рассчитывается как:

V_i = S_i· h_ср · a

где S_i - площадь расчетного участка, h_ср - средняя высота, а – коэффициент поперечного сечения (0,5 – для треугольника; 0,78 – для кругового или эллиптического; 1,0 – для прямоугольного).

Объем вертикальных полостей определяется по формуле Симпсона:

V = H/6 (S₁ + 4S₂ + S₃)

где Н – глубина полости; S₁, S₂, S₃- площади нижнего, среднего и верхнего сечений.

Очевидно, что современные методы проведения топосъемочных работ с помощью электронных приборов позволяют определить объем полости значительно более точно, чем предложенные методики. Однако пересъемка тысяч пещер с уже имеющимися планами и разрезами объективно займет довольно продолжительное время. Стоит отметить, что оценка объемных показателей, основанная на анализе имеющихся топоматериалов, является важной информационной базой для решения многих задач практической спелеологии.

Объем блока, в котором заложена полость, характеризует коэффициент пустотности Корбеля (Q, м³):

Q = L_k · B_k· H_k

Объем мезо- и микроформ в пещере определяется при детальной либо специальной съемке пещеры.

Безразмерные коэффициенты

Коэффициенты протяженности и вертикальности – величины, которые характеризуют соотношения между глубиной и протяженностью пещер. Первый рассчитывается по формуле:

К_п = H/L

Если H > L^*, то H/L > 0,5; если H < L^*, то H/L < 0,5. Это дает основание выделять группы субгоризонтальных и субвертикальных полостей не по качественным, а по количественным показателям. Такой же смысл имеет коэффициент вертикальности, который рассчитывается как:

К_в= ∑ h_i / H.

Эти параметры удобно применять при региональном анализе условий спелеогенеза, выявлении гидрогеологических аномалий в толще развития пещер, картировании территориальных различий в пещерной морфологии. Примеры использования коэффициентов приводятся в литературе (Амеличев, 2004, 2007 и др.).

Коэффициент извилистости (К_и) – показатель, характеризующий отношение между реальной протяженностью пещеры и расстоянием в плане между двумя наиболее удаленными точками полости по прямой:

К_и= L / L_k.

Эта величина весьма устойчива и составляет для Альпийской складчатой области 1,3-1,4. Ее часто используют для определения реальной длины пробега карстовых вод от мест запуска красителя до места его фиксации в источнике (Дублянский, 1977).

Размерные отношения

Существует целый набор показателей, отчасти заимствованный из смежных наук. Таков удельный объем пещеры (отношение объема к протяженности, м³/м), известный также как «миделевое сечение полости»:

V_y= V / L.

Часто используются два близких по смыслу показателя - плотность каналов (отношение количества каналов к площади пещерного массива P_k = N / S_k; шт/км²) и густота каналов (отношение протяженности каналов к площади пещерного массива G_k = L / S_k; км/км²).

Несколько реже используются коэффициенты площадной К_s (доля площади массива, занимаемая полостями) и объемной K_v(доля объема массива, занимаемая полостями) пустотности.

При специальных исследованиях возможно применения других специфических размерных и безразмерных показателей. Однако размерные показатели дают возможность классифицировать пещеры.

В отечественной карстолого-спелеологической науке вопросом о классификации пещер по морфометрическим показателям занимались Гвоздецкий Н.А. (Гвоздецкий, 1954), Максимович Г.А. (Максимович , 1958, 1961), Дублянский В.Н. (Дублянский, 1965, 1979), Брашнина И.А. (Брашнина 1961), Климчук А.Б., Вахрушев Б.А., Киселев В.Э. (Дублянский и др., 1987; Дублянский, 1982), Илюхин В.В. (Дублянский, Илюхин, 1987), Чикишев А.Г. (Чикишев, 1973; 1978), Добровольский М.Н. (Добровольский, 1965) и др.

Г.А. Максимович (Максимович, 1958, 1961) первым в отечественной литературе предложил выделять морфометрические категории пещер: громадные (длиной более 100 км); очень большие (25-100 км); большие (25-1 км); значительные (1000-250 м); небольшие (250-10 м); малые (менее 10 м). В середине 60-х гг. он же предложил выделять категорию крупнейших пещер отдельно для стран, континентов и в мире (Максимович, 1965). Однако, проблема морфометрических границ рассмотренных категорий карстовых полостей оставалась нерешенной, а выбранные градации не обоснованными.

Впервые в международной спелеологической практике особое внимание категории «крупнейших» пещер было уделено на 6 Международном спелеологическом конгрессе в г. Оломоуц, Чехословакия (Чикишев, 1973). Комиссия по длиннейшим и глубочайшим пещерам мира Международного спелеологического союза под руководством профессора Х. Триммеля составила перечень крупнейших пещер Мира, к числу которых были отнесены пещеры, имеющие протяженность ходов более 3000 метров и глубину более 300 метров.

На сегодняшний день из сотен тысяч известных пещер только 1600 длиннее 3000 метров и около 1000 имеют глубину свыше 300 метров. В мировой практике эти параметры приняты как нижние пределы для «крупных пещер». В большинстве региональных кадастров постсоветского пространства крупными считают пещеры протяженностью более 1000 метров и глубже 100 метров (Дублянский и др., 1987; Дублянский, Климчук, 1987; Дублянский, Илюхин, 1982; Courbon, 1989). Однако в некоторых регионах, к примеру, в Новой Зеландии, Франции и Испании, к глубоким относят полости глубже 200 метров. Это объясняется лимитирующими факторами - мощностью карстующихся пород, особенностями геологического строения карстового массива и морфологическими характеристиками различных пещер, а также спелеологической изученностью – многие регионы изучены весьма детально, а другие еще только предстоит исследовать. В результате широкомасштабных спелеологических исследований последних десятилетий и накопления мощных баз данных по многим карстовым регионам Мира появилась возможность применения статистических методов (Третьяков, 2004; Чертко, 1987; Пузаченко, 2004; Голиков и др., 1986; Тикунов, 1997), которые позволяют математически обосновать выявление категории «крупнейших карстовых пещер». Кадастр пещер, оперируя терминами математической статистики, является выборкой из генеральной совокупности всех полостей России (в том числе и еще не открытых). При анализе кадастровых данных необходимо осознавать, что мы не сможем обладать полной информацией о наличии всех полостей и их морфометрических показателях. Потенциально в недрах закарстованных территорий имеется множество пока неизученных полостей. Ежегодно происходит открытие новых пещер и исследование ранее неизвестных участков в уже имеющихся полостях.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Badino G. Le Grotte // Boletín informativo de la comisión de geospeleología Federación Espeleológica de América Latina y el Caribe. - Abril 2002. - No. 26.
Birol M. Vocabulaire geomorphologique Russe-Francais. - 1976. -106 p.
Burcham J. Learning about caves; how caves are formed. Journey into amazing caves. Project Underground // Retrieved September 8, 2009. - Режим доступа: http://www.amazingcaves.com/learn_formed.html.
Courbon Paul. Atlas of the Great Caves of the World / Paul Courbon et al. - St. Louis: Cave Books, 1989. - 368 p.
Dublyansky V.N. The largest karst caves and shafts of the USSR // Soviet geography: rev., 1979. - P. 354-361.
Ford D. Genetic classification of solutional cave systems // Proc. 7th Inern. Speleol. Congr. Sheffield, 1977. - P. 189 - 192.
Ford D.C. , Williams P.F. Karst Geomorphology and Hydrology. - Unwin Hyman: London, 1989. - 601p.
Lexicon of cave and karst terminology with special respect to environmental karst hydrology. - Washington: EPA, 2002. - 214 p.
Monkhouse F. A dictionary of geography. - 1970. - 344 p.
Spelaologisches Fachworterbuch. Wien, 1965. - http://www.caverbob.com
Амеличев Г.Н. 7 загадок Чатырдага. Часть 2. // Природа. – 2004. - №2. – С.10-16.
Амеличев Г.Н. Морфометрический анализ карста на нижнем плато массива Чатырдаг (Горный Крым) // Свет. - №1 (32). - 2007. - С.16-21.
Барков, А.С. Словарь-справочник по физической географии - М.: Учпедгиз, 1954. – 304 с.
Большая Советская энциклопедия. 3-е изд. 1969-1975. Т. 1-30.
Брашнина И.А. Какие карстовые полости считать крупнейшими // Новости карстоведения и спелеологии. - 1961. - № 2.
Гвоздецкий Н. А. Карст. - М.: Географгиз, 1954. - 354 с.
Голиков А.П., Черванев И.Г., Трофимов А.М. Математические методы в географии. – Харьков: Вища шк., Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. – 144 с.
Грачев А.В. Топографо-геодезические работы в пещерах. Практические рекомендации для спелеотопографа. – Киев, 2010. –http://www.rgo-speleo.ru/biblio/topographic_work_in_caves.pdf.
Добровольский М.Н. Краткие сведения о крупнейших пещерах Средней Сибири // Пещеры. – Пермь, 1965. – Вып. 5(6). – С. 56-64.
Дублянский В.Н. , Климчук А.Б. и др. Крупнейшие карстовые полости СССР. Спелеологические провинции Большого и Малого Кавказа. - Киев, 1987. – 257 с. – Деп. в ВИНИТИ, №1112-В-87.
Дублянский В.Н. Карстовые пещеры и шахты Горного Крыма. – Л.: Наука, 1977. – 180 с.
Дублянский В.Н. Новые данные о глубинном карсте Горного Крыма // Пещеры. – 1965. - Вып. 5 (6). – 123-127 с.
Дублянский В.Н., Андрейчук В.Н. Терминология спелеологии – Кунгур, 1991. – 180 с.
Дублянский В.Н., Вахрушев Б.А. и др. Крупнейшие карстовые полости СССР. Крымская спелеологическая провинция и др. - Киев, 1987. – 90 с. - Деп. в ВИНИТИ, № 1111-В-87.
Дублянский В.Н., Дублянская Г. Н..Карстоведение. Часть 1. Общее карстоведение. - Пермь: ПГУ, 2004. - 307 с.
Дублянский В.Н., Илюхин В.В. Крупнейшие карстовые пещеры и шахты СССР. - М.: Наука, 1982. – 150 с.
Дублянский В.Н., Клименко В.И., Вахрушев Б.А., Илюхин В.В. Карст и подземные воды карстовых массивов Западного Кавказа. – Л.: Наука, 1985. – 150 с.
Зайцев И. К. Вопросы изучения карста СССР - М.: Госгеолиздат, 1940. - 231 с.
Климчук А.Б. Гипогенный спелеогенез, его гидрогеологическое значение и роль в эволюции карста. – Симферополь: ДИАЙПИ, 2013. – 180 с.
Климчук А.Б. Особенности и проблемы гидрогеологии карста: спелеогенетический подход // Спелеология и карстология. – 2008. – №1. – С. 23-46.
Климчук А.Б. Понятие о пещере и некоторые проблемные вопросы теоретической спелеологии // Физическая география и геоморфология. – Киев, 1985. – Вып.32. – С. 18-21.
Климчук А.Б. Эволюционная типология карста // Спелеология и карстология. – 2010. - № 4. – С. 23-33.
Максимович Г. А. 35 Длиннейших пещер Мира // Пещеры. – 1965. - Вып. 6 (7). – С. 56-62.
Максимович Г. А. Наиболее крупные карстовые пещеры // Карст Пермской области. – Пермь, 1958. – С. 65—76.
Максимович Г. А. Сто крупнейших карстовых пещер Мира // Пещеры. - 1961. - Вып. 1.- С.
Маруашвили Л. И. Морфологический анализ карстовых пещер // Очерки по физической географии Грузии. - Тбилиси: Мецниереба, 1969. - С. 5-84.
Проблемы изучения карстовых полостей южных областей СССР / Под ред. Р. А. Ниязова. - Ташкент: Фан УзССР, 1983. - 150 с.
Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях: учеб. пособие. – М.: Академия, 2004.
Тикунов В. С. Моделирование в картографии. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997.
Толковый словарь английских геологических терминов. Т. 1—3.- М.: Мир., 1977 - 1979 г. - 1717 с.
Третьяков А.С. Статистические методы в прикладных географических исследованиях: Учебно-методическое пособие / Науч. ред.: проф. И.Г. Черванев. – Х.: Шрифт, 2004. – 96 с.
Ушаков Д. Н. Орфографический словарь русского языка - М.:Учпедгиз, 1937. - 162 с.
Цыкин Р.А. Отложения и полезные ископаемые карста - Новосибирск: Наука, 1985. - 267 с.
Чертко Н.К. Математические методы в физической географии: Учеб. пособие для геогр. спец. вузов / – Мн.: Изд-во Университетское, 1987. – 151 с.
Чикишев А.Г. Карст Русской равнины. – М.: Наука, 1978. – 190 с.
Чикишев А.Г. Пещеры на территории СССР. – М.: Наука, 1973. – 136 с.
Щукин И.С. Четырехъязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. - М.: Сов. энциклопедия, 1980. - 703 с.