В.Н. Дублянский, Симферопольский университет
В.В. Илюхин,
Всесоюзная секция спелеологии
Ю.Е. Лобанов ,
УНИИхим
Морфометрические показатели карстовых полостей
Опубликовано:
Пещеры: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. ун-т. - Пермь, 1981, с.85-95.
В 1958 - 1980 гг. на территории СССР открыто и исследовано около 5000 различных карстовых полостей, в
том числе крупнейшие пещеры в гипсах (Оптимистическая, 144 км; Озерная, 104 км и др.), конгломератах
(Орешная, 11 км), крупные пещеры в известняках (Красная, 13,1 км; Воронцовская, 11,7 км), глубокие
естественные шахты (Киевская, 950; Снежная, более 1000 м и др.) [3].
В эти же годы в СССР и за рубежом интенсивно развивалась теоретическая спелеология. Одной из основных
проблем ее является получение объективных морфометрических показателей, которые можно использовать не
только для сравнения различных полостей, но и для уточнения их генезиса и построения классификационных
схем. Эта проблема в отечественной литературе специально не обсуждалась, хотя ее касаются в ряде работ
[2, 4, 7, 8, 9, 10].
В основе статьи лежат исследования авторов, анализ литературных материалов и материалы дискуссии на
Всесоюзном семинаре инструкторов-методистов в 1979 г.
Морфометрические показатели карстовых полостей определяются посредством подземной топографической
съемки. В советской спелеологии распространена методика полуинструментальной магнитной съемки [1, 4].
Магнитный азимут измеряется горным компасом или буссолью, расстояние — нерастягивающимся мерным шнуром
длиной 5, 10 или 20 м с метровыми марками, вертикальные углы — эклиметром или маркшейдерским угломером.
При этом возможна ошибка, достигающая в отдельных случаях 4,5%. Для удобства принято, что ошибка в
определении основных параметров карстовых полостей (протяженность, глубина, площадь пола) в среднем
составляет ±5%. Так как для измерения высоты крупных залов обычно используют косвенные методы,
ошибка в среднем составляет ±10—20%. Такой точности вполне достаточно для решения всех
спелеологических, геологических и гидрогеологических задач, возникающих на этапе маршрутных
исследований. Исключение составляет установление глубины сложных вертикальных полостей и относительной
высоты отдельных частей пещерных лабиринтов. Для определения превышения применяют гидронивелир (ошибка
порядка ±2,0%). Описанная методика топосъемки позволяет достигнуть четвертого градуса точности
международной шкалы (самая высокая точность, получаемая при использовании специальных приборов,
соответствует седьмому градусу [11]).
Карстовые формы подразделяются на поверхностные (карры, поноры, воронки, рвы, гроты, котловины, полья)
и подземные (колодцы, шахты, пещеры). Однако четких критериев различения отдельных поверхностных и
подземных форм нет. Авторы предлагают отделять поверхностные формы от подземных по морфометрическим
данным. В журналах топосъемки содержатся сведения о расстоянии между точками съемки
(li), их относительном превышении (±hi), ширине
(bi) и высоте (ki) хода в каждой точке. Обработка материалов
топосъемки дает возможность получить интегральные характеристики: глубину полости (H) и ее
проективную длину (L’). Формы рельефа, у которых L’ < bО и
L' < k0 следует считать гротами или навесами, формы, имеющие
Н < bо, - воронками (bо и k0 — ширина и высота
полости у входа). Более протяженные или глубокие формы называются соответственно пещерами, колодцами
или шахтами
(рис. 1 А).
Рис.1. Принципы получения морфометрических характеристик карстовых полостей:
А — разделение карстовых форм на поверхностные и подземные:
1. план; 2. разрез
L' < b0; L' < k0 - (грот);
3, 4. разрезы карстовой формы,
3. Н < bо (карстовая воронка);
4. Н > bо (карстовый колодец).
Б — определение начальной точки съемки вертикальных полостей (разрез).
В — определение начальной точки съемки горизонтальных полостей (разрез).
Г — принцип непрерывности при топосъемке карстовых полостей
(план): 1. L = АБ + БВ + БГ + ГД;
2. L= АБ + БВ + ВГ + ГЕ + АД + ДЕ + ЕЖ;
3. L = АБ + БЖ + ЖЗ
При выборе начальной точки съемки подземных полостей иногда возникают трудности [11, 12, 15]. В
процессе картирования вертикальных полостей нулевую точку съемочного хода следует располагать на
горизонтальной плоскости, проходящей через самый низкий элемент рельефа, которого можно достичь, не
применяя приемы скалолазания и технические средства
(см. рис. 1 Б).
При картировании горизонтальных полостей нулевая точка располагается под сводом, на вертикальной
плоскости, пересекающей дно или свод пещеры в крайней точке, доступной для человека
(см. рис. 1 В).
При съемке карстовых полостей следует придерживаться принципа непрерывности, заключающегося в том, что
съемочные ходы прокладываются по всем галереям и внутренним колодцам [12]. Проходы в глыбовом зале не
картируются, при расчетах учитывается длина или глубина зала от входа в глыбовый завал до выхода из
него
(см. рис. 1 Г).
Материалы топосъемки позволяют определить ряд морфометрических показателей карстовых полостей. Их можно
разделить на несколько групп.
Линейные показатели
bср — средняя ширина хода, м. Рассчитывается по топосъемочному журналу или по плану
полости:
где п — число замеров.
kср — средняя высота хода, м. Вычисляется по топосъемочному журналу или по
продольному разрезу полости:
H — глубина (высота) полости, м. Определяется как разность отметок входа и нижней (-H)
точки или входа и верхней (+H) точки полости.
G — амплитуда полости, м. Рассчитывается как разность отметок верхней и нижней точек полости
(если верхняя точка располагается выше входа).
L — протяженность, м. Определяется по развертке полости или по топожурналу. Представляет собой
сумму глубин всех уступов, колодцев, шахт и длин разделяющих их наклонных ходов. Рекомендована
Международным спелеологическим союзом [12] как реальная величина, соответствующая пути, проходимому под
землей исследователем и подземными водами.
L' — проективная длина, м. Вычисляется по плану как сумма проективных длин всех ходов
(l'i = li·cos α). Для горизонтальных полостей L' = L, для
наклонных L' < L; для вертикальных L' = 0.
Кроме перечисленных линейных характеристик карстовой полости определяются три очень важные линейные
характеристики вмещающего ее геологического пространства. Любую карстовую полость можно вписать в
параллелепипед, размер ребер которого НK (соответствует H или G);
LK (расстояние в плане между двумя наиболее удаленными точками полости по ее длинной
оси), ВK (расстояние в плане между двумя наиболее удаленными точками по
перпендикуляру к длинной оси). Эти величины получили в отечественной литературе название ребер
параллелепипеда Корбеля [13].
Площадные показатели
S — площадь полости, м². Вычисляется по плану методом наложения палетки или по соотношению
S = L'·bср. Иногда понятие «площадь полости» становится неопределенным
(горизонтальная труба; узкая, непроходимая в нижней части трещина, где можно передвигаться
лишь в распоре). В этих случаях площадь полости условно определяется в сечении, проходящем на уровне
ног съемщика.
S — площадь карстового массива, занятая полостью. Ее можно установить по плану как площадь
многоугольника, описанного вокруг полости
(рис. 2),
что требует дополнительных построений и вносит неопределенность, поскольку выбор формы этого
многоугольника произволен. Поэтому для расчета следует использовать полученные ранее величины
LK и BK·SK = LK·BK.
При этом SK несколько больше, чем S', однако является объективной и позволяет
сравнивать различные полости. SK всегда больше S, причем разница между ними тем
больше, чем сложнее конфигурация полости.
Рис.2. Принципы расчета морфометрических характеристик карстовых полостей:
А — площадь, занятая пещерой (S' и Sk,).
Б — индекс вертикальности (Ìb);
1. Ì=0; 2. Ì=1; 3. Ì=0,5.
В — коэффициент вертикальности
(Kb): 1. Kb=1; 2. Kb<1
3. Kb>1.
Г — индекс развития (1) и коэффициент извилистости (2)
Объемные показатели
V — объем полости, м³. Для любой полости:
где
Vi — объем различных по морфологии участков. Для горизонтальных полостей:
где Si — площадь расчетного участка, ki — ее средняя высота,
α — коэффициент формы поперечного сечения (0,5 — для треугольного; 0,78 — для кругового
или эллиптического; 1,0 — для прямоугольного) [43]. Более точно объем вертикальных полостей
определяется по универсальной формуле Симпсона:
где H — глубина полости; S1, S2, S3 — площади нижнего, среднего и верхнего сечения.
Q — коэффициент пустотности Корбеля [13]. Характеризует объем блока, в котором заложена
полость.
Ж. Корбель предлагал выражать ребра параллелепипеда в сотнях метров (т.е. при
LK = 1815 м вводить в расчет величину 18,15 и т.д.). В настоящее время обычно
используется иная расчетная формула, где LK, ВK и
НK выражаются в метрах [14]:
Безразмерные отношения
Существует довольно большой набор безразмерных отношений, использование которых весьма перспективно
для морфогенетического анализа.
Ìb = H/L — индекс вертикальности (предложено авторами). Может меняться от 0
(для горизонтальных) до ±1 (для вертикальных полостей). Если H > L,
то H/L > 0,5, если H < L, то H/L < 0,5. Это дает основание выделять
группы горизонтально-вертикальных и вертикально-горизонтальных полостей не по качественным [10], а по
количественным признакам
(см. рис. 2 Б).
Отрицательный индекс (Ìb = —H/L) характеризует пещеры и шахты-поноры [2],
положительный (Ìb = H/L) — пещеры-источники.
— коэффициент вертикальности (предложено авторами).
Для полостей, состоящих из одного ствола, Kb=1; для каскадных систем
Kb < 1; для сложных пространственных лабиринтов и сифонных каналов
Kb может быть и больше 1
(см. рис. 2 В).
Сложные полости первоначально классифицируют по этому признаку, а при дальнейшем морфогенетическом
анализе используют частные значения для отдельных частей полости, где Kb всегда
меньше 1 [5].
Ku — коэффициент извилистости. Предложен в 1950 г. Пиншемелем [15] как индекс
развития Ìd = L’/Lk (см. рис. 2 Г). Он является весьма устойчивым
показателем извилистости карстовых водоносных систем. Например, модальное значение
Ìd для 181 пещеры Франции равно 1,35 [15], а для 193 пещер Крыма — 1,33 [2]. Как
показал анализ, необходимо учитывать извилистость водоносной системы не только в плане, но и в
вертикальной плоскости. Поэтому в расчеты следует вводить не L', a L. Карстовая водоносная
система часто образует в горном массиве пространственную спираль, отдельные ветви которой могут заходить
друг под друга. В этом случае вместо Lk учитывать следует Lu,
равную сумме кратчайших расстояний между концами направленных в разные стороны ветвей спирали
(см. рис. 2 Г).
Lu = А + Б.
Коэффициент извилистости Ku = L/Lu, рассчитанный для группы карстовых
полостей массива или района, характеризует величину пути, проходимого подземными водами. Этот
коэффициент следует вводить в расчеты для определения истинного пути, пройденного красителем, и скорости
движения воды. Чтобы рассчитать Ku для пещер-лабиринтов, необходимо определить его для
каждой галереи, а затем найти среднее значение.
KS = S/Sk - коэффициент площадной закарстованности. Дает представление о
степени пораженности массива карстом в плане.
KV = V/(Q·106) - коэффициент объемной закарстованности. Характеризует
степень пораженности массива карстом в объеме. Применение обоих показателей при S' и
Q·106 позволяет получить несколько заниженные, но зато сравнимые значения
KS и KV.
Размерные отношения
В 1969 г. Г. А. Максимович ввел понятие об удельном объеме (объем карстовой полости в м³ на 1 м
длины). Дальнейший анализ [2] обнаружил большую информативность показателя. Удельный объем следует
рассчитывать не на единицу длины полости, а на единицу ее протяженности Vу = V/L
[м³/м].
В морфометрии карстовых полостей весьма перспективно применение основ топологии. Одним из информативных
показателей может быть коэффициент связности: KСВ = n/s , где n — число
пересечений ходов (узлов), s — площадь полости. Для полостей без пересечений он равен 0, по мере
увеличения разветвленности системы показатель возрастает.
Кроме рассмотренных морфометрических показателей можно ввести ряд других: параметры параллелепипеда
Корбеля (HK/LK, HK/BK, BK/LK);
коэффициенты закарстованности, рассчитанные как проекции площади продольного и поперечного сечений
пещеры на боковые грани параллелепипеда Корбеля, и т.д. Анализ морфометрических данных крупнейших
карстовых полостей СССР свидетельствует о том, что на данном уровне картографирования карстовых полостей
использование таких показателей не позволяет получить существенно новой информации.
-
Рассмотренные морфометрические показатели применяются:
- при сравнении различных карстовых полостей и отнесении их к различным классам по протяженности,
глубине и площади, объему, удельному объему [2, 7], коэффициенту Корбеля [14];
- для оценки геологических и инженерно-геологических условий карстовых массивов [6, 15];
- с целью установления различий в закарстованности различных районов (для этого используются как средние
показатели, так и анализ их распределений, в частности λ — критерий А. Н. Колмогорова,
Н. В. Смирнова [23]);
- для уточнения принадлежности данной карстовой полости к той или иной генетической группе и при анализе
условий ее формирования [2, 5].
Последнее направление представляется наиболее перспективным.
Применение морфометрических методов позволит разработать объективные критерии классификации карстовых
полостей по происхождению и морфологии. В
таблице
приведены основные морфометрические данные 20 крупнейших карстовых полостей СССР.
ЛИТЕРАТУРА
- Дублянский В. Н. Топографическое изучение карстовых полостей. — В кн.: Тр. Всесоюзного
совещания по методике изучения карста. Перм. ун-т, 1963, вып. 9, с. 7-26.
- Дублянский В. Н. Карстовые пещеры и шахты горного Крыма. Л., 1977, с. 1-182.
- Дублянский В. Н. Крупнейшие карстовые пещеры и шахты СССР. — Изв. АН СССР. Сер. геогр.,
1978, № 2, с. 93-99.
- Илюхин В. В., Дублянский В Н. Путешествия под землей. М., 1968.
- Лобанов Ю. Е., Голубев С. И. Морфогенетическая классификация карстовых полостей Урала. — В кн.:
Исследование карстовых пещер и качестве экскурсионных объектов. Сухуми, 1978, с. 182-184.
- Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963, с. 1-444.
- Максимович Г. А. Некоторые вопросы морфометрии карстовых полостей. — В кн.:
Вопросы карстоведения. Перм. ун-т. 1969, с. 137-143.
- Соколов Д. С. Основные условия развития карста. М., 1962, с. 1-332.
- Тинтилозов 3. К. Карстовые пещеры Грузин. Тбилиси. 1976. с. 1-275.
- Чикишев 3. К. Карстовые пещеры СССР. М., 1973, с. 1-136.
- Chabert CI. De la precesion des topographies.— Spelunca. Mem., 1975, N 8, p. 235-236.
- Comission des grandes cavites. Comptes-rendu des reunions lors du VII Congres Intern. de spel.
— Sheffild, 1977, p. 1-11.
- Corbel J. Les grandes cavites de France. Ann. spel., 1959. v. 14. N 1—2, p. 31-47.
- Gonzalez M. A., Valdes Ramos J. J. Introduction de metodos geomorfologicos e hidrogeologicos
cuantitativos en evalution de sistemas cavernarias. — Rev. technologica, 1974, v. 12, v. 29-39.
- Renault Ph. La morphometrie speleologique. — Spelunca, 1972, N 2, p. 51-57.
|