В.Н.Дублянский, В.И.Клименко, Б.А.Вахрушев, В.Д.Резван

Проведение индикаторного опыта на Бзыбском массиве

Фрагмент 4-й главы из книги:
В.Н.Дублянский, В.И.Клименко, Б.А.Вахрушев, В.Д. Резван. Комплексные карстолого-спелеологические исследования и охрана геологической среды Западного Кавказа. Сочи, 1987, с.96-103.

МАТЕРИАЛЬНОЕ (ФИЗИЧЕСКОЕ) МОДЕЛИРОВАНИЕ

Натурное моделирование

В инженерной геологии различают модели-аналоги, модели - полевые, модели - производственные эксперименты (93).

4.5. Модели-аналоги — это природные комплексы, детальное изучение которых дает все необходимые данные для переноса (распространения) полученной информации на другие подобные объекты. В карстологин - это спелеологические стационары. Самый информативный случай — когда пещера располагается на выходе карстовой водоносной системы, и комплексные наблюдения в ней сочетаются со стандартными гидрогеологическими наблюдениями. Это самый перспективный путь натурного моделирования, которым широко пользуются за рубежом (121). В СССР подобных стационаров пока нет, хотя в качестве моделей-аналогов могут быть использованы пещеры Красная (Крым), Воронцовская (Зап. Кавказ) Озерная (Подолия), Кунгурская, Б. Курманаевская (Урал) и пр. Преимущество моделей-аналогов — масштабный коэффициент близкий к единице, значительная (часто измеряемая в шкале геологического времени) длительность прохождения тex или иных процессов; недостаток — плохая управляемость, невозможность активного воздействия на ход и условия процесса (рис. 18).

Рис. 18. Среднемесячные графики изменения расхода (Q, м³/с) и минерализации (М, мг/л) пещеры-источника Мчишта за период 1968— 1983 гг.

4.6 При реализации модели - полевого опыта природный объект используется в качестве полигона для эксперимента. Этот путь весьма широко реализуется и в СССР и за рубежом, часто в виде модели «черного ящика». К таким моделям относятся опыты с запуском всевозможных индикаторов (красители, изотопы, растворенные и взвешенные вещества и пр.) фильтрационные эксперименты (откачки, наливы, наблюдения в пещерах над инфильтрационной и конденсационной капелью и пр.).

В качестве примера можно привести результаты проведения индикаторных опытов в пещерной системе Снежная-Меженного, в значительной мере способствовавшие уяснению вопросов гидрологии Бзыбского карстового массива. Бзыбский массив входит в состав Горно-Колхидской провинции спелеологической области Большого Кавказа (100). С северо-востока,севера и запада его ограничивает долина р. Бзыбь, с востока — долина р. Аапста, с юга — некарстующиеся палеогеновые отложения и Калдахварский сброс. Массив с севера на юг прорезан глубокой долиной р. Хипста, его восточную часть иногда выделяют в Хипстинский высокогорный массив. Бзыбский массив слагают нижнемеловые (валанжин-барремские) и верхнеюрские (лузитан-титонские) известняки мощностью до 2000 м. Они залегают на вулканогенной толще байоса (нижний водоупорный горизонт), а на южной периферии перекрываются некарстующимися отложениями альб-сеномана и палеогена (средний и верхний водоупорные горизонты). Северная часть массива представляем асимметричную синклинальную структуру, а южная, отделенная от нее Чипширским сбросом, — моноклиналь (32).

На юге массива располагается крупнейший источник Кавказа Мчишта (средний многолетний расход 9,5 м³/с, максимальный — 197 м³/с), (12, 17, 18, 19, 32, 100, 101). Реальные гидрогеологические связи этого источника с конкретными водосборами до последнего времени не исследовались. Ни в одной из располагающихся на южных склонах массива крупных карстовых полостях Напра (—970м), Форельная (—740м) Пионерская (—815м), Ноктюрн (—462м), Весенняя (—403м), Студенческая (—350м), Изабелла (—235м), Белорусская (—210м) значительные подземные водотоки пока не обнаружены. На Бзыбском массиве известна лишь одна крупная обводненная карстовая полость — пещерная система Снежная-Меженного, расположенная в восточней части Бзыбского массива, в 20 км на северо-восток от Мчишты. Пропасть Снежная-Меженного является одной из глубочайших карстовых полостей СССР (—1370 м), имеющей значительную протяженность (19000м), крупные объемы (1 740 000 м³) и мощный подземный водоток (расход в межень до 0,5 м³/с, в паводок до 25 м³/с и более), область разгрузки которого до последнего времени точно установлена не была.

Поэтому неоднократно предпринимались попытки обнаружения места выхода подземной реки Снежной на поверхность, в первую очередь в крупных водотоках на периферии Хипстинского массива — реках Аапста, Хипста и их притоках (31, 32, 41). (См. также: Г.В.Людковский, Б.Р.Мавлюдов, А.И.Морозов, Т.А.Немченко, Д.А.Усиков. "Об исследовании Снежной – глубочайшей карстовой пещеры СССР.//ДАН СССР, т.259, №2, 1981, с.437-442.; Б.Р.Мавлюдов, Д.А.Усиков. Предварительный отчет об исследованиях пещеры Снежная, 1979г; А.Л.Шелепин. Пещеры Хипстинского массива: история исследования, потенциал, перспективы. Доклад на заседании Комиссии спелеологии и карстоведения МЦ РГО 14.04.2004г. - прим. А.Шелепина, 2006г.)

При проведении эксперимента в 1986 году учитывалась возможность выхода красителя как в долинах рек Хипста и Аапста, так и в воклюзе Мчишта (100, 101). В местах предполагаемого выхода красителя на поверхность были оборудованы пункты наблюдений с ловушками, установка и съем которых производились по общепринятой методике. Ловушки были установлены на воклюзе Мчишта (1 пункт наблюдении), на воклюзах р. Хипста (2 пункта наблюдений) и в бассейне р. Аапста (4 пункта наблюдений). На Мчиште съем ловушек осуществлялся ежедневно с 10.08 но 10.09. 1986 г., в остальных пунктах наблюдений съем производился через 2—15 дней.

Характерной особенностью проведения опыта явилась глубокая межень. Расходы карстовых источников летом 1986 г. значительно уменьшились (расход Мчишты в июле—августе составлял 3,5—5,0 м³/с), упали до нуля (нижние воклюзы на Хипсте) или поменяли знак на противоположный (верхний воклюз на Хипсте стал работать как понор, поглощая воду из реки). Исходя из сложившейся ситуации (наличие эставеллы на Хипсте) опыт был проведен в двух модификациях: 12.08.1986 г. 0,5 кг родамина было запущено в Хипстинскую эставеллу, работающую в режиме понора, а 20.08.1986 г. 8 кг уранина были запущены в поток подземной реки в пещере Снежная на глубине 700 м у Пятого завала на так называемом «старом дне» пещеры. Методика запуска была общепринятой (32, 36, 85). Родамин был зафиксирован в ловушках воклюза Мчишта трижды: 18.08 (25 мг/м³), 22.08 (45 мг/м³) и 26.08.86 г. (35 мг/м³). Уранин был обнаружен в источнике на р. Хипста 25.08.86 визуально и ловушкой (25 мг/м³), а также ловушками на Мчиште 29.08—01.09.86 (140, 300, 35 мг/м³) и 06.09.86 (75 мг/м³). В остальных пунктах наблюдений краситель не был зафиксирован. Результаты экспериментов сведены в таблицу (табл. 18).

Результаты проведения индикаторного опыта на Бзыбском массиве

Место запуска и фиксации красителя	Абс. отметка, м	Расстояние между пунктом запуска и фиксации, км		Время прохождения красителя, сут.		Средняя скорость движения воды, км/сут.
		по прямой	с коэф. изв.*	родамин	уранин	родамин	уранин
Шахта Снежная	1250	-	-	-	-	-	-
Поглотитель и источник на р.Хипста	320	5,6	10,0	-	5 6	-	2,0 1,7
Источник Мчишта	70	14,0	18,2	10 14	9 10 14	3,0 1,8 1,3	3,1** 2,6** 1,3

*Для участка Снежная-Хипста по фактической извилистости системы (1,8); для участка Хипста-Мчишта - по средней для альпийской складчатой области (1,3,36).
**Расчет сделан для полного расстояния от шахты Снежная до источника Мчишта (28,2км).

Проведенный полевой опыт убедительно показал, что западная и восточная части Бзыбского массива представляют единую гидрогеологическую систему с промежуточной зоной разгрузки в долине р. Хипста (рис. 19). Прохождение уранина из карстовой водоносной системы Снежная-Меженного в воклюз Мчишта плотным «пакетом» красителя (концентрация 140—300 мг/м³) свидетельствует о существовании хорошо проработанных подрусловых карстовых каналов под долинами рек Хипста и Ыгри. Поступление родамина из долины Хипсты тремя волнами и наличие дополнительного пика по уранину (6.09.86 г.) свидетельствует о существовании в среднем течении р. Хипста минимум трех зон поглощения, связанных с нарушением субширотного простирания. Средняя скорость прохождения красителя на верхнем участке карстовой водоносной системы (уклон 0,093) оказалась меньше (1,8 км/сут), чем на нижнем участке (уклон 0,014, скорость 2,2 км/сут.). Вероятно, это объясняется задержкой красителя при прохождении глыбовых завалов и мощной толщи водно-механических отложений в системе Снежная-Меженного. Эксперимент следует повторить в паводок, так как в это время возможна бифуркация подземного потока с оттоком части воды в бассейн р. Аапста. (Расходы в августе 1986г. были аномально низкими. В этот август на Хипстинском массиве в альпийской зоне вообще не было дождей, такая же засуха повторилась в августе 2001г., т.е. столь глубокая летняя межень случается раз в 10-15 лет. - прим. А.Шелепина, 2006г.)

Рис. 19. Схема проведения индикаторных опытов на Бзыбском массиве.

План (А) и разрезы по линиям А—Б—В и Г—В (Б) Бзыбского массива. Карстовые полости: 1 - В, Пантюхина; 2 - Багьянская; 3 - Графский провал; 4 — Алексинского; 5 — Ноктюрн; 6 — Весенняя; 7 — Пионерская; 8 — Белорусская; 9— Изабелла; 10 — Студенческая; 11 —Форельная; 12 — Напра; 13 - Каньон; 14 - Сувенир; 15 - Снежная -Меженного; 16 — Вулкан. Основные источники: Д — Джирхва, М — Мчишта; X — Хипста; Ха — Хабю. Пунктиром показано направление движения красителя.

Полученные материалы свидетельствуют о невозможности точно оконтурить подземный водосбор источника Мчишта. В межень и паводок он может менять конфигурацию и площадь как за счет подтока воды из северной части массива (18, 19), так и за счет подключения разных зон поглощения в долине р. Хипста. Средний модуль стока для Южного склона Главного Кавказского хребта в пределах Западной Абхазии составляет 52,6 л/с. км² (12), 55,0 л/с. км² (49), по балансовому расчету для массивов Арабика и Бзыбский — 60,5 л/с. км². Осреднив эти величины, получим наиболее вероятную величину 56,0 л/с. км². При площади Бзыбского массива 534 км² это соответствует среднему расходу рек и источников 29,9 м³с По гидрометрическим данным (20,90), средний расход р. Бзыбь (левобережные водосборы) составляет 15 15-р. Мчишта — 9,50; р. Хипста — 1,00; р. Отхара и р. Дохбарта и пр. — 1,0; р. Аапста (правобережные водосборы) — 1,66 что в сумме составляет 28,31 м³/с (погрешность 3%). Таким образом, на долю источника Мчишта приходится 34% общего стока Бзыбского массива, который он получает с площади 170 км². Существование подтока в него воды из р. Хипста следует учитывать не только при гидрологических расчетах, но и при хозяйственном освоении ее долины.

Иногда полевые опыты по изучению фильтрации, конденсации, химического состава и агрессивности карстовых вод проводятся при воднобалансовых исследованиях (27, 116). Интересные полевые опыты продолжительностью 5 лет были проведены (84) на береговых обнажениях Камского водохранилища. По наблюдениям за модельными глыбами скорость растворения здесь достигает 0,5—1,0 кг/м² сут. В 1978 г. международный полевой эксперимент начат Комиссией карстовой денудации Международного спелеологического союза. Стандартные известняковые пластинки, выпиленные из керна, закладываются в почвенный слой на различную глубину. Их взвешивание производится через год. В СССР этот эксперимент проводится в Крыму, на Кавказе, в Средней Азии и на Саянах.

4.7. Модель-производственный эксперимент часто реализуется при сооружении ГЭС (94), строительстве гидроэнергетических и транспортных тоннелей, строительстве и эксплуатации дорог и карьеров. Получаемые при этом данные о растворимости карстующихся пород, их устойчивости к провалам, способности воспринимать статические, динамические нагрузки и вибрацию, устойчивости к размыву заполнителя трещин представляют огромный теоретический интерес. К сожалению, результаты производственных экспериментов редко становятся достоянием других научных коллективов (79).

12. Владимиров Л.А., Шакарашвили Д.И., Габричидзе Т.И. Водный баланс Грузии. Тбилиси: Мецниереба, 1974.
14. Гвоздецкий Н.А. Карст. М: Географгиз, 1954.
15. Гвоздецкий Н.А. Карст. М: Мысль, 1981.
16. Гвоздецкий Н.А. Проблемы изучения карста и практика. М: Мысль, 1972.
17. Гигинейшвили Г.Н. Гидрологическая роль карста Большого Кавказа. Водные ресурсы, 1983, №6.
18. Гигинейшвили Г.Н. Карстовые воды Большого Кавказа и основные проблемы гидрологии карста. Тбилиси: Мецниереба, 1979.
27. Дублянский В.Н. Карстовые пещеры и шахты горного Крыма. М-Л: Наука, 1977.
31. Дублянский В.Н., Илюхин В.В. Крупнейшие карстовые пещеры и шахты СССР. М: Наука, 1982.
32. Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З. Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. М.: Наука, 1984. 35. Дублянский В.Н., Ломаев А.А. Карстовые пещеры Украины. Киев: Наукова думка, 1980.
36. Дублянский В.Н., Шутов Ю.И., Приблуда В.Д. Индикаторные опыты в некоторых карстовых областях Альпийской складчатой зоны юга СССР. Известия ВУЗов, геология и разведка, 1975, №7.
41. Зверев М.М., Кудрявцев Е.А., Мавлюдов Б.Р., Ноздрачев М.Н., Чеботарев Н.Г. Исследование карстовых полостей хребта Раздельный и шахты Снежной. В кн.: Состояние и задачи карстолого-спелеологических исследований. М., 1975.
43. Иванов Б.Н. Особенности геосинклинального карста на примерах Крыма, Кавказа и Карпат. В кн.: Региональное карстоведение, М: АН СССР, 1961.
46. Керимов Н.К. Карстовые явления на Малом Кавказе (в пределах Азербайджана). В кн.: Тр. Азерб. заочн. пед. ин-та, 1957, т.4, вып.1.
57. Колодяжная А.А. Карст флишевой формации юго-западного склона Кавказа. М: Наука, 1965.
62. Лилиенберг Д.А. Пещеры и некоторые особенности карстовых явлений в Дагестане. Бюл. МОИП, от. геол., 1959, т.34, вып.2.
73. Максимович Г.А. Основы карстоведения. т.1. Пермь, 1963.
74. Максимович Г.А. Районирование карста СССР. В кн.: Докл. IV Всеуральского совещания по физико-географическому и экономико-географическому районированию. Пермь, 1958.
91. Родионов Н.В. Карст Европейской части СССР, Урала и Кавказа. М: Госгеолтехиздат, 1963.
93. Розовский Л.Б., Зелинский И.П. Инженерно-геологические прогнозы и моделирование. Одесса, 1975.
100. Тинтилозов З.К. Карстовые пещеры Грузии. Тбилиси: Мецниереба, 1976.
101. Тинтилозов З.К. Подземный карст Грузии. Проблемы спелеологии Грузии. Тбилиси: Мецниереба, 1985.
105. Чикишев А.Г. Пещеры на территории СССР. М: Наука, 1973.
106. Чикишев А.Г. Районирование карстовых форм Урала. Землеведение, 1967.