Комиссия спелеологии и карстоведения
Московского центра Русского географического общества

ENG / RUS   Начальная страница   Письмо редактору

Список комиссии | Заседания | Мероприятия | Проекты | Контакты | Спелеологи | Библиотека | Пещеры | Карты | Ссылки

Библиотека > Статьи и доклады:

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:
  1. при сравнении различных карстовых полостей и отнесении их к различным классам по протяженности, глубине и площади, объему, удельному объему [2, 7], коэффициенту Корбеля [14];
  2. для оценки геологических и инженерно-геологических условий карстовых массивов [6, 15];
  3. 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]);
  4. 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

  1. 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.
  2. Дублянский В. Н. Карстовые пещеры и шахты горного Крыма. Л., 1977, с. 1-182.
  3. Дублянский В. Н. Крупнейшие карстовые пещеры и шахты СССР. — Изв. АН СССР. Сер. геогр., 1978, № 2, с. 93-99.
  4. Илюхин В. В., Дублянский В Н. Путешествия под землей. М., 1968.
  5. 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.
  6. Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963, с. 1-444.
  7. Максимович Г. А. Некоторые вопросы морфометрии карстовых полостей. — В кн.: Вопросы карстоведения. Перм. ун-т. 1969, с. 137-143.
  8. Соколов Д. С. Основные условия развития карста. М., 1962, с. 1-332.
  9. Тинтилозов 3. К. Карстовые пещеры Грузин. Тбилиси. 1976. с. 1-275.
  10. Чикишев 3. К. Карстовые пещеры СССР. М., 1973, с. 1-136.
  11. Chabert CI. De la precesion des topographies.— Spelunca. Mem., 1975, N 8, p. 235-236.
  12. Comission des grandes cavites. Comptes-rendu des reunions lors du VII Congres Intern. de spel. — Sheffild, 1977, p. 1-11.
  13. Corbel J. Les grandes cavites de France. Ann. spel., 1959. v. 14. N 1—2, p. 31-47.
  14. 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.
  15. Renault Ph. La morphometrie speleologique. — Spelunca, 1972, N 2, p. 51-57.




Список комиссии | Заседания | Мероприятия | Проекты | Контакты | Спелеологи | Библиотека | Пещеры | Карты | Ссылки

All Contents Copyright©1998- ; Design by Andrey Makarov Рейтинг@Mail.ru