Спелео

На пороге неизвестности

Рождение вертикали

В предыдущей главе мы коротко рассмотрели семь подклассов экзогенных полостей. Весьма примечательны полости восьмого карстогенного подкласса. В "чистом" виде они представлены коррозионным типом (лат. corrodo обгрызать), который особенно хорошо изучен в Крыму, но встречается во всех карстовых районах мира.

В 50-е гг. на Ай-Петринском горном массиве над Ялтой была организована гидрогеологическая станция. Ее цель - изучение водного баланса юго-западного Крыма - включала решение большого количества частных задач, в том числе - распределения снега на плато. Оказалось, что он залегает крайне неравномерно. Если принять количество снега, фиксируемое на площадке метеостанции, за единицу, то на плато обнаруживаются участки, где за зиму накапливается всего шесть-семь десятых от этой величины, и напротив, места, где уровень снега вырастает до двух с половиной - трех единиц. Именно здесь и обнаружены вертикальные полости, не имеющие питающих водосборов, этакие стаканы или "кувшины" без всякого продолжения на дне.

Нет ли связей между местами заложения таких колодцев и шахт и распределением снега? Семилетние исследования подтвердили эту гипотезу. Все 386 полостей оказались расположенными именно на участках современного или древнего повышенного снегонакопления. Оказалось, что для заложения подземелий и их роста наиболее благоприятна высотная зона 900-1000 м, где находится почти 70% таких полостей. Ниже 900 м уменьшается количество осадков, выпадающих в виде снега, выше - снега более чем достаточно, но он лежит, иногда сохраняясь целую зиму. Таким образом, самые благоприятные условия для образования нивально-коррозионных полостей (лат. nivalis снежный) создаются там, где выпадает большое количество твердых осадков, а колебания температуры способствуют их многократному сходу.

Нивально-коррозионные колодцы и шахты довольно разнообразны по форме. В зависимости от состава, строения, условий залегания и трещиноватости известняков они могут быть конусовидными, цилиндрическими или щелевидными (рис. 16).

Механизм их образования прост: снег, накапливаясь зимой в углублениях на поверхности, летом постепенно стаивает, растворяя известняки. Когда полость достигает предельной для площади ее входа глубины, она превращается в шахту-снежник, дальнейшее развитие которой происходит уже по другим законам. Но есть еще один, четвертый, подтип таких полостей, с маленьким, часто заваленным камнями входом и сложной морфологией (рис. 16). При чем же здесь снег, который никогда не попадает в такие полости в больших количествах? Более того, после сильных метелей он полностью перекрывает вход, образуя снежные мосты или пробки. Оказывается, такие полости располагаются только под структурными уступами известняков южной ориентировки, на которых накапливаются снежные карнизы (преобладающие ветры в горах зимой - с севера). Днем, даже при общей отрицательной температуре воздуха, эти карнизы стаивают (известный каждому эффект таяния снега на наклонных крышах домов). Талая вода с низкой минерализацией (10-30 мг/л), высоким содержанием углекислого газа (10-20 мг/л) очень хорошо растворяет карбонатные породы. Трещины постепенно расширяются, превращаясь в узкие колодцы со стенами, изъеденными коррозией. Затем "включается" механизм зимней конденсации, о котором мы поговорим ниже. Гидрохимические наблюдения показали, что интенсивность снеговой коррозии достигает 75 мкм в год. Таким образом, 1 метр нивально-коррозионной полости формируется в среднем за 13 000 лет, а нивально-коррозионные колодцы и шахты Крыма, глубиной 5-90 м, имеют возраст от 65 тысяч до 1,2 миллиона лет. Самые глубокие шахты отличаются внушительными входами, иногда имеющими диаметр до 12-15 м. Но и они заканчиваются слепо, без продолжений на дне...

Казалось бы, полости такого происхождения не представляют большого спортивного и научного интереса. При сегодняшней спелеологической технике спуск на 90-100 метров - задача несложная; в них почти нет натечного убранства и других отложений, несущих полезную информацию. Одно время привлекал внимание снег, накапливающийся на дне колодцев. Его запасы при максимальной мощности 12-15 метров достигали 2-5 тыс. м³ и были достаточны для снабжения водой пастушьего коша или работы холодильника. Именно так использовались в 30-е гг. XX в. многие карстовые колодцы Крыма и Кавказа. В 70-е гг. гидрогеолог Е. С. Штенгелов предложил даже специально загружать нивально-коррозионные полости снегом, сгребая его с поверхности. Он считал, что это существенно пополнит запасы подземных вод Горного Крыма. Произведем простой расчет: все 386 полостей этого типа, согласно выполненной топосъемке, имеют объем 80 тыс. м³. Пусть их удалось заполнить полностью, что при объемном весе уплотненного снега 0,4 тыс. м³ эквивалентно 32 тыс. тонн воды. Разделим эту величину на продолжительность теплого периода (180 сут.). В целом для Крыма получается мизерная величина - 2 л/с!

И все же нивально-коррозионные полости служат добрую службу человеку. Будучи на протяжении сотен тысяч лет накопителями зимнего холода (в них сохраняется не только снег, но и более холодный воздух), они во многом определяют геотермический режим горных карстовых массивов. Найдя узкую щель между стенками колодца и снегом, иногда можно попасть в более древние карстовые системы. Наконец, как ни странно, данные об их распределении по глубине дают ценную палеогеографическую информацию (см. раздел "Ритмы космоса - под землей").

Вертикальные полости могут образовываться и другим путем. Близ крутых обрывов плато, на бортах речных долин и карьеров часто возникают трещины бортового отпора, приводящие к образованию уже известных нам гипергенных полостей гравитационного типа. Если это трещины в карстующихся породах, то происходит взаимное наложение друг на друга гравитационных (первичных) и коррозионных (вторичных) процессов. В результате стенки полостей моделируются растворением, покрываются углублениями - подземными каррами, различными натечными отложениями - сталактитами, небольшими сталагмитами, лунным молоком. Так возникают коррозионно-гравитационные полости различной морфологии и размеров.

Они могут иметь форму простого клина, направленного острием вверх или вниз, или - кулис, сообщающихся между собой короткими поперечными щелями. Обычно это небольшие колодцы или шахты глубиной до 40-50 м. Но иногда, при смещении крупных блоков известняков, возникают шахты глубиной до 100 м (Сююрю) или пещеры протяженностью 100-120 м (Туакская, Крым). Положение у бровки этих блоков способствует их хорошему проветриванию, стены их моделированы талыми снеговыми и конденсационными водами. Они вызывают большой спортивный интерес, хотя часто опасны из-за камнепадов.

Вслед за каплей воды

Еще в 60-е гг., работая на Караби, крымские спелеологи обнаруживали входы в довольно крупные вертикальные полости, лишенные питания дождевыми и снеговыми водами. Они располагались на водоразделах или в верхней части склонов, на карровых полях. Найти такую шахту можно было только случайно натолкнувшись на небольшой вход в нее в густой траве или оступившись на остром известняковом гребешке. И вот тут-то, придавленный рюкзаком и ощупывающий подвернутую ногу, внезапно чувствуешь разгоряченным лицом слабое движение воздуха... Ну а дальше все просто: убрать несколько камней, сбить мешающий выступ или расчистить траву - и открывается зияющая пустота глубиной 30, 50, а то и 100 метров... В Крыму такие "подарки природы" были описаны, занесены в кадастр, но остались непонятыми. Слишком широк был тогда фронт поисковых работ, слишком много нового (до 10-15 полостей) приносили в базовый лагерь съемочные отряды, чтобы разбираться с каким-то десятком находящихся не на своем месте шахт...

Второй раз они напомнили о себе на плато Кырк-Тау (Средняя Азия). Прежде чем обнаружить на нем манящую почти километровой глубиной шахту Киевская, украинские спелеологи В. Рогожников и А. Климчук вдоволь налазились по мелким колодцам и небольшим шахтам, многие из которых располагались именно на карровых полях. Тогда появились первые идеи, которые только в 90-е гг. оформились в стройную концепцию эпикарстовой зоны, в которой наиболее активно проходят процессы растворения и образуются различные полости. Справедливости ради надо отметить, что родилась она не на пустом месте. Отдельные ее элементы имеются в работах карстологов (Дж. Ганн), гидрогеологов (А. Манжен), инженеров-геологов (А. Чернышев) и спелеологов (Д. Форд). Александр Климчук удачно свел воедино все эти разнородные представления и снабдил их новыми фактами.

Заглавная идея этой концепции удивительно проста и, вероятно, поэтому долго не воспринималась специалистами.

Речь идет о формировании своеобразной депрессионной воронки в приповерхностной зоне вертикальной циркуляции карстовых вод. Этого было достаточно, чтобы любой уважающий себя гидрогеолог перестал слушать последующие доводы: такая воронка формируется только в полностью обводненных породах при откачке воды из скважин. При этом определение "своеобразная" как-то не воспринималось...

Обратимся к простому рисунку, поясняющему идею А. Б. Климчука. В большинстве карстующихся пород основным проводником воды являются трещины разного происхождения. В самой верхней части эпикарстовой зоны (подзона дробления) развита густая сеть трещин, расширенных выветриванием; в средней части (глыбовая подзона) существует менее густая сеть трещин, имеющих некоторое раскрытие; в нижней части (блоковая подзона) раскрыты лишь единичные крупные тектонические трещины. Соотношения между трещинами разных типов (литогенетические, тектонические, выветривания и пр.) описаны в специальной литературе.

Теперь проделаем мысленный эксперимент. Пусть имеется площадка 50 на 20 м (1000 м²). На ее поверхности, разбитой густой сетью пересекающихся тектонических трещин, расширенных выветриванием, образовалось карровое поле. Прошел ливневый дождь средней интенсивности, давший за один час 20 мм осадков. Вода в объеме 20 м³ (1000 м² на 0,02 м) полностью поглотилась в пределах площадки. Но как она распределилась? Сперва вода заполнила 20 трещин (по 1 м³ в каждой), затем стеклась в 10 (по 2 м³), затем сосредоточилась в одной (20 м³). Именно здесь, не на поверхности, а под ней, зарождаются полости, которые можно назвать плювиально-коррозионными (лат. pluvialis дождевой). Постепенно они растут, чему способствуют также талые снеговые воды и конденсация влаги. Затем, при провале свода, на поверхности появляется "готовая" карстовая шахта. Пройдет несколько лет, дождь и снег оближут острые выступы известняков, на их гранях появятся лишайники, и никто не скажет, что она сформировалась вследствие подземной деятельности капли воды...

Концепция А. Б. Климчука хорошо объясняет особенности заложения многих шахт массива Арабика (Грузия), где в 80-е гг. проводился активный спелеологический поиск. Оставалось проверить ее в Крыму, настоящей Мекке спелеологов бывшего СССР. Все известные карстовые полости были распределены по глубине по трем подзонам: 0-20, 0-40 и 0 - более 40 м. Статистическая обработка данных и их сравнение с помощью критерия Колмогорова-Смирнова подтвердили значимость различий между ними. Полости отличаются друг от друга не только по плотности распределения глубин, но и по направлению заложения. В подзоне дробления представлены все направления (любая трещина может вырасти в пещеру), в глыбовой - выделяется несколько взаимно перпендикулярных направлений, а в блоковой - сохраняется одно из них. Преобладающие для Крыма направления 40-220° и 130-310°.

Предположения о распределении воды в эпикарстовой зоне подтвердились при проведении изотопного анализа. Оказалось, что дождевая вода задерживается в ее пределах довольно значительное время (до 2-3 месяцев), а при увеличении расхода источников из горного массива сперва "выжимается" содержавшаяся в нем вода иного химического и изотопного состава.

Спелеологические исследования показали, что необходимы дальнейшие, более детальные работы по изучению строения эпикарстовой зоны и ее роли в гидрогеологии и инженерной геологии карстовых массивов. Проводить эти исследования должны специалисты, но с обязательным участием спелеологов.

В руслах подземных рек

Жители карстовых районов всего мира давно обратили внимание на то, что поверхностные водотоки часто пропадают, или, как образно говорят на Руси, "поныряют" под землю. Отсюда название исчезающей реки и пещеры на Валдайской возвышенности - Поныретка. Такой же смысл имеют термины губилище (болг.), богодол (хорв.), пониква (слов.), катавотра (гp.), shake, slyggy, swallow (англ.), ponore, betoir, ragage, perte (фр.), Ponore, Saugloch, Schluchloch, Schlinger, Schwinde (нем.). Основная гидрологическая функция всех этих карстовых форм - перевод поверхностного стока в подземный. Обилие терминов отражает особенности процесса: что поглощается (постоянный или периодический водоток), как это происходит (инфильтрация или инфлюация, свободное движение или напорное, ламинарное или турбулентное) и пр.

Что происходит с водой под землей? Первые исследования поноров Западной Европы показали, что нередко они расширяются, превращаясь в галереи пещер или каскады колодцев. Особенно большие полости образуются в том случае, когда под землю уходят водотоки, формирующиеся на водоупорных породах. Именно так образовались галереи Адельсбергской (Постойной) пещеры в Словении, входная часть которой известна человеку с XVIII в. Ее образовали воды реки Пивка, водосбор которой выше пещеры сложен эоценовым флишем.

Проникновение в русла подземных рек иногда дает блестящие спелеологические результаты. Переведенные на русский язык книги француза Н. Кастере /13/ и венгра Л. Якуча /32/ живописуют романтику поиска и горечь неудач, опасности внезапных паводков и радости первооткрывателей. Но каждый, наверное, сравнивает прочитанное с пережитым. Для меня одним из самых ярких впечатлений спелеологической юности была шахта Провал на Долгоруковском массиве в Крыму.

Собственно, сначала это была не шахта, а небольшая пещера. Еще швейцарский естествоиспытатель Дюбуа де Монпере, посетивший Крым в 30-е гг. XIX в., и основоположник российской карстологии А. Крубер, работавший здесь на 80 лет позже, утверждали, что именно отсюда берет начало Кизил-Коба - знаменитая Красная пещера, вход в которую находится в 6 километрах к северу, на склоне массива. В шахте Провал поглощается сток р. Суботхан (исчезающая вода, тюрк.). Ее водосбор сложен слабокарстующимися породами, поэтому после сильных дождей и снеготаяния она имеет довольно значительный для Крыма расход - 3-4 м³/с.

Первое знакомство с Провалом не впечатлило: протиснувшись в щель между глыбами, мы попали под наклонный свод небольшого зала, куда уходила вода, лишь в одном месте образуя небольшое озерко. Ложиться в жидкую грязь, заполняющую его, не было ни желания, ни смысла - в метре от его края начиналась глухая известняковая стена, отвесно уходящая под воду. Героями дня стали десятиклассники Борис Волков и Евгений Чикалкин. Вняв нашим наставлениям "покопаться в Провале" и не найдя нигде ничего путного, они все же решили залезть в озерко. Желанный проход начинался узкой вертикальной щелью над озером, невидимой ниоткуда, кроме его дальнего конца, да и то - если перевернуться на спину... Пещера сразу превратилась в шахту: за щелью начался каскад мелких колодцев, соединяющихся закрученным в спираль наклонным ходом. В его конце, на глубине около 70 м, располагались два вытянутых озера, все попытки найти продолжение успеха не имели. Мы уже сворачивали свой полевой лагерь, когда на плато поднялся наш бывший коллектор, большой любитель пещер Юра Шаповалов. Огорченный опозданием, он попросил разрешения "сбегать" до дна. Техника безопасности, прежде всего: найдешь двух желающих - пожалуйста! Желающие нашлись, нашлось и рабочее задание - отобрать пробы воды на анализ. Но каково же было наше удивление, когда вечером, ставя в ящик бутылки с пробами, Юра спросил: "А сифон вы как проходили?" - "Какой сифон?!"

В одном из боковых заливов левого озера на дне шахты Юра нашел то, что мы тщетно искали в его конце,- короткий, всего полтора метра, сифон. Чтобы преодолеть его, не надо нырять - следует только присесть и, наклонив голову, сделать три шага... За сифоном Шестопалова нас ждал почти километр наклонного хода, по дну которого весело шумел ручей. Шахта кончалась узкой щелью, куда уходила вода.

Именно так, щелью, затопленной галереей с неизвестно где находящимся сифоном, глыбовым навалом, замывом глины, галечниковой россыпью, натеком кальцита или льда - заканчивается абсолютное большинство пещер и шахт-поноров с уходящими под землю поверхностными водотоками. Они порождают большие надежды, которые улетучиваются с очередным препятствием, непреодолимым из-за слабой технической оснащенности, отсутствия времени, настойчивости или просто спортивной удачи...

Но если нельзя спуститься вниз по подземной реке, может быть, удастся подняться вверх по подземным потокам, питающим источники на склонах карстовых массивов? Правда, это значительно сложнее технически. История спелеологии сохранила много описаний прохождения таких пещер. Одно из самых ярких в книге Ж. Ван ден Абеля /43/, которая описывает штурм пещеры Сигалер (Франция).

Пещера Сигалер была случайно обнаружена Н. Кастере в Пиренеях в начале 30-х гг. Войдя через узкий вход в горизонтальную галерею, Кастере через 60 м спустился к подземной реке. Только в 1955 г. окончились исследования этой удивительной по красоте и трудности пещеры. Продвигаясь вверх по подземной реке, спелеологам пришлось преодолеть 26 каскадов высотой до 20 м, отступать и вновь возвращаться, терять друзей (в 1954 г., спасая напарника, здесь погиб спелеолог Мишель Донеа...) и приобретать новых. Пещера закончилась большим залом с сифоном, названным залом Элизабет в честь жены и постоянной спутницы Норбера Кастере.

Не удавалось пробиться вверх по подземной реке и в Красной пещере в Крыму: шесть экспедиций 1958-1965 гг. увеличили ее протяженность на 10 км, преодолели 5 сифонов, пробились через завалы 4 обвальных залов. Но и их менее чем в двух км от конечного сифона шахты Провал остановил грандиозный V Обвальный зал /11/. Экспедиции 1966-1996 гг. немного увеличили длину пещеры (13,7 км), но также не смогли пробиться дальше. И только зимой 1997 г. московские спелеологи вошли в главную галерею Красной пещеры через боковой приток, берущий начало на дне одной из шахт на плато. Пещера "подросла" сразу на 3,4 км...

Недостающее звено

Итак, спелеологические исследования строения карстовых массивов привели к открытию двух звеньев гидрогеологических систем - верхнего (пещер- и шахт-поноров) и нижнего (пещер-источников). Что же происходит с водой между ними? Еще в XVIII в. наблюдения за появлением в пещерах-источниках Англии мутной после ливней воды навели на мысль, что вода проходит под землей довольно большой путь. В XIX в. для подтверждения этой гипотезы впервые были применены индикаторы: в 1801 г.- органический краситель (опыт результата не дал), в 1860 г.- 140 кг окиси железа, в 1866 г.- несколько десятков литров нефти, в 1899 г.- три тонны соли. Первый успешный опыт с использованием ярко-зеленого красителя - флюоресцеина - был осуществлен в 1887 г. в Бадене (Германия).

Индикаторные опыты продолжались и в XX в. Чего не придумано в этой узкой области гидрогеологии! В качестве индикаторов применялись плавучие вещества (споры папоротника-ликоподиума, окрашенные в разные цвета, полистироловые шарики, шары-зонды с радиопередатчиком, плавающие "мины" с зарядом взрывчатки, который в заданное время подрывался радиосигналом, а возбужденные им волны фиксировались сейсмографами на поверхности); растворимые вещества (NaCl, KCl, NH₄Br и др.); различные красители (флюоресцеин, уранин, эозин, родамин, конго красная, метиленовая синька и пр.); изотопы (дейтерия, трития, йода, брома, кобальта); масла, пенообразующие вещества и даже живые существа - меченые угри... В 1972-1975 гг. в пещерах Словении был проведен широкомасштабный международный эксперимент с одновременным использованием различных красителей. Он дал неожиданный результат: индикаторы движутся в потоке с разными скоростями, а иногда используют и разные пути... Известны и курьезные случаи индикации. При пожаре на винном заводе в Бургундии пришлось выпустить в р. Ду, приток Соны, несколько тысяч декалитров абсента. Местные жители, "эксперты" по части полынной водки, по запаху обнаружили ее наличие в р. Лу, притоке Соны, расположенном ниже по течению...

Индикаторные опыты XX в. доказали наличие гидрогеологических систем, дренирующих целые карстовые массивы, имеющих максимальную протяженность 75 км (Хомат Борю - Йеди-Миярлар, Турция), 46 км (Белетт - ист. Воклюз, Франция), "размах" по вертикали 3 км (шахта Назаровская - скважины с минеральной водой в пос. Мацеста, Россия) и 2038 м (шахта Илюхина - ист. Репроа, Грузия). Одновременно были установлены очень интересные и важные для практики факты - несовпадение поверхностных и подземных водосборов рек, впадающих в Северное и Черное моря (Рейн и Дунай), Атлантический океан и Средиземное море (Гаронна и Эбро), Тихий и Северный Ледовитый океаны (Колумбия и Саскачеван).

Но если есть гидрогеологические системы, то должны быть и карстовые системы! Автор еще в 60-е гг. предложил выделить тип коррозионно-эрозионных полостей. Это был скрытый вызов корифеям: профессор Г. А. Максимович в своем определении карстового процесса особо подчеркивал внерусловой характер формирующих его вод /19/. Но факты, полученные непосредственно "ползучими" спелеологическими методами, были настолько убедительны, что с коррозионно-эрозионными полостями пришлось примириться... Состоят они из трех элементов: два - уже известные нам полости-поноры и полости-источники, а среднее, недостающее звено - вскрытые пещеры.

Вскрытые пещеры - это галереи, в которые невозможно проникнуть по течению подземных рек. Они становятся доступными только тогда, когда их сообщают с поверхностью (вскрывают) какие-то деструктивные процессы: денудация (тогда это узкая щель на любом элементе поверхностного карстового рельефа), коррозия (вход в систему открывается на дне или на склоне карстовой воронки либо колодца), эрозия (в систему ведет узкий ход, промытый текучими водами), гравитация (провал купола зала). Возникающие при этом полости полигенетичны и поэтому имеют очень сложную морфологию. Классический пример - шахта Бездонная (Крым, рис. 19), состоящая из четырех элементов разного генезиса и возраста: подземной галереи, купола над нею, карстовой воронки и провальной "пробки".

Вскрытые пещеры часто имеют огромную глубину и протяженность. Их исследования ставят перед спелеологами очень сложные задачи, так как вертикальные сухие или слабо обводненные колодцы и шахты часто выводят к мощным подземным рекам. Именно в таких полостях были поставлены первые рекорды прохождения больших отвесов.

В 1630 г. в Лозере (Франция) местный угольщик по приказу своего сеньора спустился в 45-метровую шахту, чтобы поднять тело сброшенного туда кюре. Сейчас она называется шахтой Капеллана. В 1748 г. математик Нагел исследовал входную шахту Мацоха (Чехия, -138 м, отвес 50 м), выйдя на ее дне к подземной реке. В 1851 г. иезуит Р. Керто спустился в плетеной корзине на дно 115-метровой отвесной шахты Хойо дель Аире (Колумбия). В 1889 г. группа Ханке преодолела 180-метровую входную шахту в пещере Качна яма (Словения). В 1889-1895 гг. Э. Мартель штурмовал грандиозные для своего времени вертикали Гэпинг Гилл (110 м, Англия), Рабанель и Жан Нуво (125 и 167 м, Франция), но был вынужден отступить перед 190-метровой Шурен Мартен. В шахту Рабанель он спускался на веревке, сидя на привязанной к ней палке (рис. 20).

Из исследований XX в. наибольший резонанс в научной и популярной литературе получило покорение шахты Пьер Сен-Мартен в Атлантических Пиренеях. Спелеологический интерес к этому району появился еще во времена Мартеля. Но только в 1950 г. Г. Ленине, Б. Окьялини и М. Козинс открыли "исторический" вход - шахту глубиной свыше 300 м.

Первый этап исследований системы связан с именем Макса Козинса. Бельгиец по национальности, он окончил классическую гимназию, прослушал курсы инженерной электромеханики, физики, биологии, медицины... "Пожизненный приговор - исследователь и искатель",- писал он в своей автобиографии. Искал Козинс всюду: в 1932 г.- поднимаясь в стратосферу вместе с Огюстом Пикаром, в 1934 г.- сооружая высокогорную лабораторию по изучению космических лучей в сердце Пиренеев, в 1941 г.- борясь в рядах бойцов Сопротивления, в 1949 г.- организуя подводные погружения в Атлантике, в 1951 г.- руководя вместе с Жолио Кюри франко-бельгийским центром атомных исследований. В изучении Пьер Сен-Мартен он принимал участие сначала как инженер. Именно Макс Козинс спроектировал лебедку-велосипед с барабаном, на который наматывалось 380 м стального троса сечением 5 мм. Использовав для спуска лебедку, в 1951 г Ж. Ленине, М. Лубен, Ж. Эрто и вулканолог Г. Тазиев обнаружили на дне гигантской шахты величественные залы и долгожданную подземную реку.

Экспедиция 1952 г. проводилась уже с помощью стокилограммовой электрической лебедки. Неудачное крепление троса привело к трагедии - гибели Марселя Лубена. Однако экспедиция выполнила основную задачу: "Пропасть продолжается до фантастических пределов",- сообщили наверх первопроходцы...

В 1953 г., вооруженная новой лебедкой, следующая экспедиция под руководством Ж. Ленине и Н. Кастере достигла огромного зала Верна, находящегося в 2611 м от основания входной шахты и в 689 м от ее верха. Так был установлен мировой рекорд проникновения человека под землю, который продержался всего один год. В 1954 г. в шахте Берже, представляющей собой наклонную обводненную галерею, была достигнута глубина 903 м, в 1955 - 985 м, в 1956 - 1122 м и в 1863 -1135 м.

Однако не надо думать, что Пьер Сен-Мартен все эти годы был забыт. В 1954 г. франко-испанская экспедиция продвинулась вверх по подземной реке, открыв тоннель Ветров. В 1961 г., после сооружения гидротехнического тоннеля, который вошел в зал Верна, был совершен подъем по его отвесной стене на 95 м и открыта галерея Аранжади. Дальнейшие успехи в изучении системы связаны в основном с продвижением вверх по течению подземной реки и открытием ее притоков, начинающихся из шахт-поноров, расположенных на большей высоте, чем шахта Лепине. Сперва это была экспедиция М. Козинса, открывшая вход "Шальная голова" (+165 м), затем экспедиция созданной в 1965 г. ARSIP - "Ассоциации по международным спелеологическим исследованиям Пьер Сен-Мартен" (входы М-3, +266 м; SC-3, +326 м, и М-31, +341 м). В августе 1966г. первенство было возвращено: достигнута глубина 1171 м, а в 1975 г. успех закреплен: покорены глубины 1252 м в шахте Долорес и 1341 м в колодце Азиза за залом Верна. Однако радость была недолгой: в 1979 г. на первое место неожиданно вышла система Жан-Бернар.

По состоянию на 1 января 1997 г. Пьер Сен-Мартен даже не входит в десятку глубочайших карстовых полостей планеты. Несмотря на это, Пьер Сен-Мартен и сегодня привлекает спелеологов всего мира как одна из красивейших и сложнейших (общая протяженность ходов 51,2 км!) пещер, обладатель одного из крупнейших в Европе залов (площадь зала Верна - 5 футбольных полей!), полость, освященная именами М. Козинса и Н. Кастере, Ж. Лепине и А. Меррея. Исчерпаны ли ее возможности? Вероятно, нет. При прохождении гидротоннеля в 1956 г. неожиданно была вскрыта крупная полость Арфидия (18 000/710). Один из ее притоков подходит к залу Верна на расстояние звуковой связи (40 м, рис. 21). Если их удастся соединить, глубина системы Арфидия - Пьер Сен-Мартен увеличится до 1570 м. Но шансов на мировой рекорд здесь, к сожалению, мало, так как последние 68 м шахты Арфидия пройдены с аквалангом...

Велико и научное значение Пьер Сен-Мартен. Первые ее исследователи полагали, что в зале Верна они вышли на подстилающие сланцы и что он заложен вдоль сброса, имея эрозионное происхождение. Дальнейшие исследования выявили значительно более сложное, надвиговое строение района (рис. 21).

Ну а как же мечта каждого спелеолога о сквозном прохождении водоносных систем от истока до устья? Немногим удалось испытать это удивительное чувство. В их числе был Эдуард Мартель, в 1908 г. прошедший насквозь сравнительно короткую пещеру Брамабио. По сравнению с суммарной протяженностью водоносных систем (десятки километров) невелики достижения и сегодняшних спелеологов - длина подземных траверсов составляет 1550 м в шахтах Фогельшахт - Лампрехтсофен (Австрия), 1149 м в Бадалоне (Испания), 960- 700 м в Кум-Уарнеде (Франция), Пурификасьон (Мексика), Куэрто-Ковентоза (Испания) и Фигьера-Коркия (Италия).

Чаще всего это соединение одного или двух звеньев - шахты-понора и вскрытой пещеры, двух вскрытых пещер или вскрытой пещеры и пещеры-источника, и лишь в исключительных случаях - соединение всех трех звеньев. Использование аквалангов при изучении этих образований играет большую роль: в 1992 г. швейцарец Брасси соединил Швицершахт и Иглшахт через протяженный (130/-22) сифон. Образовавшуюся систему назвали Зильберн (26 800/302). Так термин "карстовая система", обозначающий проходимую для человека часть водоносной (гидрогеологической) системы, получил международное признание.

В каменных дебрях

Перелистывая страницы Атласов крупнейших полостей мира, поражаешься многообразию их контуров. На первый взгляд между ними нет ничего общего. Но, всматриваясь, начинаешь замечать определенные законы, которым они подчиняются. Самый простой случай - это речная система. Подземная река, получающая основной объем питания через один вход, образует слабо наклонную, меандрирующую полость без боковых притоков. Классический случай - пещера Арктомис (Канада) или пещера Кафедрал-Фалмут (США), пройденная с аквалангом.

Много таких пещер на Кавказе (Долгая, Ростовская, Тароклде и пр.). При более крутом падении пластов образуются полости вертикального развития - чередование внутренних колодцев и шахт глубиной от 2-5 до 100-200 м и более. Таких полостей очень много. Это Ану Иффлис (Алжир), Шнеелох (Австрия), Абиссодеи Фульмини (Италия), Киевская (Узбекистан) и пр. Нередко они образуют сложную спираль, отдельные изгибы которой в плане накладываются друг на друга.

Развитием первого случая, обусловленным в основном особенностями геологического строения района, является появление в средней или нижней частях системы расширений. Классический, но до конца не ясный специалистам по горной механике случай - зал в пещере Лубанг Насиб Багус. Каким образом он сформировался и какие силы удерживают гигантский безопорный свод площадью 26 (!) футбольных полей,- пока не установлено. Реже такие расширения образуются в вертикальных колодцах (Федоровская, массив Ахцу, Россия).

Дальнейшее развитие речной системы - принятие ею многочисленных притоков. Иногда они более или менее равномерно распределены по всей протяженности основной галереи (Красная пещера, Крым), в других случаях сосредоточены в ее верховьях (Кастельгард, Канада, рис. 22). Как и наземные реки, такие пещеры имеют рисунок, определяемый развитием трещин и характером питания.

Если развитие пещеры происходит при поднятии горного массива или при врезании равнинных рек в водораздельные пространства, возникают многоэтажные системы (Гуа эр Джермин, Малайзия), отдельные части которых связаны между собой колодцами или сифонными каналами. Классический пример - Красная пещера в Крыму, детально исследованная в 1958-1965 гг. Она состоит из 6 этажей, имеющих превышение друг над другом 5-8 м. Строение каждого из них разное: первый и второй этажи - это четкие каналы стока подземной реки, соединенные между собой провальными колодцами; пятый - тоже канал, образующий петли и напоминающий скорее обрывок рыбачьей сети, третий, четвертый и шестой, почти не имеющие горизонтальных участков,- извилистые узкие трубы, иногда вертикальные, иногда наклонные, расширяющиеся в небольшие залы, образующие тупиковые камеры и купола; со вторым и пятым этажами их соединяют колодцы со стенами, до блеска вылизанными водой. Вся эта путаница ходов общей протяженностью более 2 км вписана в небольшой известняковый блок длиной 200, шириной 60 и высотой 80 м. В настоящее время обводнен только первый этаж, по которому протекает, иногда исчезая в сифонах, подземная река, а в паводок, при подъеме ее уровня, ненадолго подтапливается второй этаж. Фрагменты этажей, находящихся между собой в таких же соотношениях, найдены и в дальней части пещеры. Они, как четки, нанизаны на первый этаж, по которому протекает река. Наличие на всех этажах следов эрозионной деятельности воды и песчано-глинистых отложений не оставляют сомнений в их происхождении: это речная система, образованная в результате постепенного врезания подземного водотока в карстовый массив. К такому же типу относится знаменитая Постойна в Словении: река Пивка, меняя свое подземное русло, сперва образовала ныне сухие лабиринты ее туристской части, а затем сместилась к западу, проходя через разобщенные сифонами пещеры Отошску, Магдалену, Черну, Пивску. При множественности пунктов поглощения на склонах массивов и на их платообразных поверхностях возникают очень сложные сети. Особенно характерны они для горных стран - Альп, Пиренеев и пр. Изучавшаяся на протяжении многих десятилетий система Дан де Кроль (Франция, рис. 22) сперва состояла из отдельных пещер - Тру дю Глаз, Аннели, Шевалье, Горных стрелков и пр., которые постепенно были соединены друг с другом. Для этой системы характерно обилие притоков, тупиковых колодцев и галерей, сложная система подземного дренажа со многочисленными перехватами стока. Исследования системы связаны с именами П. Шевалье (1935-1947) и М. Летрона (1960-1984), вокруг них образовались активные группы, которые довели протяженность системы до 53 км. французские спелеологи дали таким системам меткое название - сеть. В литературе оно закрепилось как научный термин: сеть Дан де Кроль, сеть Мирольда и пр.

Великолепный пример такой сети - Мамонтова пещера в США. Ее 563 километра - система самых разных по морфологии ходов, заложенных в известняках, которые местами перекрывают размытые некарстующиеся породы. Вот тут-то и раскрывается тайна Мамонтовой пещеры! Она образована не одним водным потоком, а многими притоками реки Грин-Ривер. Прорезая некарстующуюся покрышку, они поглощались в разных местах в подстилающие известняки, образуя изолированные галереи верхнего уровня. Врезалась в известняки Зеленая река - вслед за ней врезались и ее притоки, постепенно образуя ходы нижних уровней. Позднее, у более молодых очагов поглощения на поверхности, образовались внутренние шахты, имеющие глубину 10-30 м и диаметр 6-10 м, соединяющие ходы разных уровней. Система росла, усложнялась, но имела бесспорную речную природу...

Даже после сведения всего многообразия карстовых систем к нескольким типам остаются вопросы. Почему галереи имеют именно такую, а не иную конфигурацию? Почему наряду с каскадами колодцев образуются глубокие шахты или высокие купола, просекающие все уровни заложения галерей? Почему формируются сами уровни, образующие или четкие, или с трудом прослеживаемые этажи в смежных частях пещерных систем? Почему наряду с широкими, "магистральными" галереями формируется сеть более узких входов? Почему... Этим вопросам нет конца, причем в каждом конкретном районе, в различных климатических, геологических, палеогеографических, гидрогеологических условиях отвечать на них приходится заново. Попробуем разложить все по полочкам.

Вода в карстующихся породах (известняках, гипсах и каменной соли) движется по различным трещинам. Они формируются в горной породе как на стадии ее образования (литогенетические трещины), в ходе дальнейшего преобразования под действием сил сжатия и растяжения (тектонические трещины), воздействия климатических и прочих факторов (трещины выветривания и пр.). Трещины могут быть постоянно заполнены водой, или она может появляться в них периодически. Это дало основание гидрогеологам выделить две крупные зоны - зону полного насыщения и зону аэрации (в зарубежной карстологической литературе их чаще называют фреатической и вадозной зонами).

Формирование полостей начинается во фреатической зоне. В зависимости от интенсивности развития трещиноватости от точки А (поглощение поверхностного водотока, пещера-понор или шахта-понор) до точки Б (пещера-источник) вода может двигаться по разному (рис. 24). Согласно батифреатической теории, полностью обводненные каналы, в которых вода находится под гидростатическим давлением, закладываются на большой глубине. Исследования последних десятилетий показали, что она может достигать 300 м (Воклюз, Франция; Зимапан, Мексика).

Согласно мелкой фреатической теории, они закладываются ближе к поверхности, причем в верхних коленах сифонов могут формироваться воздушные пузыри. По этой схеме заложены галереи Аянской пещеры (Крым). Третья теория предусматривает смешанное развитие полостей. Такие галереи описаны в Красной пещере (Крым). И, наконец, последняя, уровенная теория предусматривает формирование галерей на уровне подземных вод. По этой схеме развиваются десятки субгоризонтальных пещер-источников во многих карстовых районах мира (Шакуранская, Грузия; Джейта, Ливан и пр.).

Однако формирование пещер возможно не только во фреатической, но и в вадозной зоне. В зависимости от особенностей питания (за счет местного поверхностного стока на плато и склонах массивов, при поглощении стока транзитных рек и пр.) здесь могут формироваться вертикальные и субгоризонтальные полости. Подземные водотоки при этом подчиняются тем же закономерностям, что и поверхностные: днища внутренних колодцев и шахт стремятся достичь профиля равновесия. Чем протяженнее субгоризонтальные части полости между двумя колодцами, тем глубже может быть второй из них. Часто наблюдается также попятное (регрессивное) отступание подземного потока с осушением горизонтальных и вертикальных частей полости, при этом образуются знакомые каждому спелеологу параллельные стволы полостей - "штаны" (шахта Напра в Грузии). Из какой "штанины" удастся проникнуть в нижнюю часть системы - дело случая и спортивной удачи.

Если сопоставить элементарные случаи (нами рассмотрены далеко не все из них!) с рисунком реальных карстовых систем, становится ясным, что последние - продукт взаимного наложения разных схем развития. Их бесконечное многообразие зависит от трех основных групп факторов: геологических, гидрогеологических и палеогеографических.

Геологические факторы - это тип карстующейся породы, особенности ее строения и залегания. Она может быть слоистой или неслоистой, более или менее трещиноватой, залегающей горизонтально, наклонно или вертикально, разбитой на блоки или смятой в складки. Каждый из этих случаев и их комбинации определяют рисунок сети полостей, особенности их морфологии. Некоторые полости (Берже, Франция) следуют рельефу подстилающего водоупора; другие (Хельлох, Швейцария) заложены в отдельных пластинах горных пород, надвинутых друг на друга; третьи (Воронцовская, Россия) как бы обходят центральную часть куполовидной, брахиантиклинальной структуры.

Гидрогеологические факторы определяются особенностями питания подземных вод, которое может быть постоянным и периодическим, инфильтрационным и инфлюационным, сосредоточенным (поглощение в одном поноре) или рассредоточенным (поглощение по длине реки) и пр. Внутри массива вода образует свободные и напорные потоки; ее движение может быть ламинарным или турбулентным, подчиняющимся разным фильтрационным законам; наконец, концентрация потоков может происходить у тектонических нарушений (сбросов, сдвигов), выступающих то как барражи (своеобразные подземные плотины), то как коллекторы (проводники воды). Эти факторы в свою очередь определяют макро- и микроморфологию полостей. Опытный спелеолог по характеру поперечных сечений пещер и шахт, мелким формам на их стенах (купола, фасетки и пр.), а также отложениям на полах (гравий, песок, глина) всегда сможет определить условия образования того или иного хода.

И, наконец, палеогеография. Поверхностный и подземный рельеф находятся в непрерывном развитии: меняются условия образования отдельных форм, они накладываются друг на друга, заполняются отложениями и вновь промываются. Самая типичная ситуация - обнаружения форм, проработанных некогда во фреатической зоне, в сегодняшней вадозной зоне. Известно, что речные долины развиваются сверху вниз, постепенно формируя глубокие ущелья и каньоны. С каждым этапом врезания рек (или поднятия горного массива) связаны свои системы пещерных галерей, которые закладываются во фреатической зоне, но затем переходят во все увеличивающуюся в мощности вадозную зону. При размыве некарстующихся отложений на поверхности формируются новые пункты поглощения, и древние фреатические каналы соединяются с ними вадозными колодцами. Следующий этап врезания еще больше осложняет картину: в карстовом массиве появляются элементы трех возрастов, наложенные друг на друга. Кроме отрицательных, деструктивных форм здесь возникают формы положительные, связанные с аккумуляцией разных типов, о которой мы поговорим позже.

В сложении карстовых массивов часто нарушается основной закон геоморфологии: чем выше - тем древнее. Xорошо видно, что отдельные элементы системы, возникшей на этапе В, находясь выше, отнюдь не древнее, а даже моложе галерей пещер...

Ограничимся приведенными примерами. Общий вывод следующий: карстовые сети - это сложнейшие разновозрастные полигенетические системы. Их образование происходит разными путями, на протяжении геологического времени, которое в переводе на обычное (историческое) летосчисление может измеряться миллионами, десятками или даже сотнями миллионов лет. Определить происхождение сложной по морфологии пещеры можно только разобравшись в "мозаике" слагающих ее элементов, сопоставив развитие поверхностного и подземного рельефа. Еще сложнее обстоит дело с определением возраста: в игру включаются отложения карстовых полостей. Но это уже другая история и другая глава нашей книги...

В какой степени оправдано название этого раздела? Спускаясь под землю, оказываешься не только в путанице широких и узких галерей, лазов и сифонных каналов, но попадаешь в настоящие дебри гипотез их образования и развития, выбраться из которых не легче, чем из каменного лабиринта...