ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕЩЕР

Спелеотурист обычно производит только гидрометрические работы, определяя конфигурацию, глубину, скорость течения, объем или расход всех встретившихся ему водоемов и водотоков При любых гидрогеологических наблюдениях на поверхности или под землей необходимо отмечать время их проведения (год, месяц, число, часы, минуты), а также указывать состояние погоды на поверхности (без осадков, сильный ливень над пещерой, сильный ливень на отдаленных водосборах, бурное снеготаяние и пр.). При гидрогеологической характеристике пещер необходимо рассмотреть следующие основные вопросы.

36. Отношение к поверхностным водотокам. Спелеотуристам следует определить, является ли данная полость современным (периодическим или постоянным) или древним поглотителем либо представляет выход современного (постоянного, периодического) или древнего источника. Правильный ответ на этот вопрос часто является залогом безопасности спелеопутешествия. Например, большинство карстовых шахт горного Крыма - это древние поглотители, в которые в настоящее время поверхностный сток поступает крайне редко и в сравнительно небольших количествах. На массиве Алек, наоборот, почти все шахты - это современные активные поглотители, имеющие значительные водосборы, сложенные некарствующимися отложениями. Поэтому даже после сравнительно слабых ливней, они становятся опасными для прохождения. В паводок в них устремляются потоки с расходом до 4-6 тысяч литров в секунду (шахты Величественная, Назаровская).

Часто шахта или пещера не имеет значительного местного водосбора и на первый взгляд безопасна для исследований. Однако в паводок она обводняется с определенной глубины за счет подтока воды с дальних водосборов (шахта Нежданная на массиве Ахцу, система Ново-Афонской пещеры). Это наиболее опасный случай, так как повышение уровня воды в полости может произойти и в хорошую погоду в районе работ. В то же время эту особенность пещеры можно использовать для выяснения областей питания ее отдельных галерей. В 1967 г. крымские спелеотуристы проводили гидрохимические наблюдения в северной части Красной пещеры. В базовом лагере под землей имелся телефон. Уйдя в маршрут при ясной погоде, они попали под волну паводка, которая чуть не отрезала их от лагеря. Связавшись по телефону с поверхностью спелеотуристы выяснили, что над ближней частью пещеры дождя не было. Разведочная группа, посланная на плато Долгоруковского массива, установила, что короткий, но сильный ливень прошел над восточной группой водосборов, которые ранее считались не связанными с Красной пещерой.

Прямых поисковых гидрогеологических методов для установления связи пещер с поверхностью нет. Здесь надо очень внимательно оценивать косвенные признаки: покрытые пышным мхом камни у входа в пещеру, свидетельствующие о том, что из нее идет периодический поток (пещера-источник Соколова на массиве Алек), следы ударов камней на деревьях у входа, скопления крупных валунов в привходовой части пещеры - возможные проявления действия поверхностных потоков (пещера-источник Подземная Хоста), отложения чуждого пещере (аллохтонного) состава часто занесены с поверхности (обломки мергелей и песчаников в шахтах Алека) и т. д.

При работах на поверхности следует обращать внимание на характер русел поверхностных водотоков. Наличие в них замкнутых котлообразных понижений часто свидетельствует о возможном поглощении части поверхностного потока в паводок. Иногда интересные результаты дает прослеживание поведения поверхностных потоков, образующихся в обычно сухих логах после ливней. Так, в районе Ново-Афонской пещеры был обнаружен закрытый поглощающий понор выше воклюзов основного источника. В этот понор после ливня поглотилось более 10 тыс. куб. м. воды, прежде чем поверхностный поток достиг воклюза. Поэтому можно предполагать наличие здесь большой неизвестной полости.

Для установления вероятных связей пещеры с зонами поглощения поверхностных вод и источников участков разгрузки проводится поверхностная топографическая съемка (первый этап). Второй этап работ - это проведение индикаторных опытов для установления реальных связей между отдельными пещерами и источниками района. На поверхности или под землей в воду запускается сильный, но безвредный для человека, животных и растительных организмов краситель - флюоресцеин или его натриевая соль, уранин. Визуально он хорошо фиксируется при разбавлении до 1: 10000000. Запуск красителя нужно производить в щелочной среде (0, 5 л 20% щелочи на ведро воды). Количество красителя, необходимое для успешного проведения опыта (G, кг), зависит от расстояния между пунктом запуска и ожидаемым пунктом выхода по прямой (L', км), расхода потока в месте запуска (q1) и в месте выхода (q2). Для расчета используется формула Коротеева (G=0, 5L')? или формула Лориоля

G=0, 5L'(q1+q2).

На солнце флюоресцеин довольно быстро обесцвечивается, а в пещерах, богатых глинистыми и органическими отложениями, адсорбируется.

Одним из неудобств опытов с окрашиванием является необходимость довольно длительного ожидания появления красителя (в межень до 10-20 суток, в паводок - 1-4 суток) и трудность его уверенной визуальной фиксации при малых концентрациях и под землей. Поэтому австрийскими спелеологами разработан более удобный способ обнаружения красителя при помощи ловушек. В водотоках, где ожидается появление красителя, закладываются под камни и надежно привязываются к уступам небольшие (длиной 5-8 см) перфорированные металлические или пластмассовые трубочки с мешочками из полотна или капрона, наполненными активированным углем. Ловушки выдерживаются в потоке два-четыре дня, краситель адсорбируется углем, который затем заливается на сутки 5-процентным раствором КОН в спирте. Раствор фильтруется и исследуется в проходящем свете или в ультрафиолетовых лучах, вызывающих флюоресценцию красителя. При проведении опытов с окрашиванием следует иметь в виду, что краситель может долгое время (до нескольких лет) задерживаться на стенках полости или даже в отдельных слабо проточных водоемах. Поэтому эксперименты следует проводить в тесном контакте с местными геологами. Перед их началом надо поставить на источниках " холостые" ловушки и убедиться в отсутствии в воде красителя от предыдущих запусков. За рубежом спелеологи с успехом применяют и другие методы трассирования подземных вод: споры папоротника, полистирольные шарики, поваренную соль и др.

Именно таким образом было доказано, что массивы Алек и Ахцу являются областью питания мацестинских минеральных вод.
При наблюдениях под землей документируются все водопроявления.

37. Мокрые стены. В журнал заносятся все участки мокрых стен и по возможности устанавливаются причины появления воды (конденсация, высачивание из трещин).

38. Озера. Определяется площадь озера, глубина. При сложном рельефе дна закладывается сетка профилей с расстоянием между ними и между промерными точками 1-2 м. По данным промерных работ определяется средняя глубина и объем озера (как произведение площади озера на среднюю глубину). При более детальных исследованиях на основании промеров строится батиметрическая карта (соединяются линии равных глубин с сечением изобат 0, 5-1, 0 м). В этом случае объем озера вычисляется как сумма объектов отдельных слоев, заключенных между отдельными изобатами. Объем каждого слоя определяется по формуле:

V = h/3·(s1 + s2 + корень из (s1·s2))

где h - сечение изобат; s1 и s2 - площади, ограниченные соответствующими изобатами.

Определяется происхождение озера (плотинное натечное, плотинное аккумулятивное, коррозионное) и степень его проточности.

39. Капеж. Определяется характер капежа (из тектонических трещин, из трещин напластования, из куполов, связанных с верхними этажами пещеры или с поверхностью, по натекам). Объемным методом (с помощью мерного сосуда известной емкости и секундомера) определяется расход.

40. Текучая вода. По материалам топосъемки следует определить размеры и протяженность подземного потока. Скорость воды обычно определяется поплавковым способом. Выбирается прямолинейный участок длиной 5-10 м, на котором разбиваются (отмечаются натянутыми над водой шнурами) три профиля - верхний, средний и нижний. Расстояние между верхним и нижним створами (l', м) замеряется. Затем на среднем створе при помощи рейки или линейки с точностью до 0, 5 см замеряется глубина в 10-20 точках (рис. 22). Расстояние между промерными вертикалями выбирается в зависимости от ширины потока - при ширине до 0, 5 м - через 5 см; до 1 м - через 10 см, более 1 м - через 20 см (рис. 22). Предлагаемая методика обеспечивает необходимую 10-процентную точность замеров на малых подземных потоках. Полная площадь живого сечения потока представляет сумму площадей двух треугольников и нескольких трапеций, имеющих одинаковые основания (a1, a2, a3,.., an) и разную высоту (h1, h2, h3,..., hn). Легко показать, что окончательная расчетная формула будет иметь вид:

S =а·(h1+h2+h3+...+hn).

Следующий шаг - определение скорости потока. Для этого в 0, 5-1, 0 м выше верхнего створа в воду 10-14 раз запускается поплавок (шарик от настольного тенниса, щепочка и т. д.) Определяется среднее время прохождения его между верхним и нижним створами (t, сек), а затем из соотношения V = l'/t вычисляется средняя поверхностная скорость.

Известно, что вследствие шероховатости стенок и дна русла средняя скорость в живом сечении меньше, чем средняя поверхностная скорость. Для перехода к средней скорости потока вводится коэффициент 0, 85. Окончательная расчетная формула для вычисления расхода потока (Q', куб. м./сек) имеет вид:

Q' = 0, 85·V·S,

где V - средняя поверхностная cкорость, м/сек; S -площадь живого сечения потока, кв. м.
Для получения большей точности скорость потока определяют гидрометрической вертушкой. Правила работы с ней изложены в руководствах по гидрологии. При небольших расходах потока его скорость можно определить объемным способом, использовав протарированное заранее ведро, складной резиновый или полиэтиленовый мешок или любую другую емкость.

41. Скопления льда и снега. Необходимо определить количество снега в привходовой части полости (площадь, занятая снегом, его примерная мощность, объем), оценить его плотность (0, 3-0, 4 т/куб. м. - уплотненный снег, 0, 5-0, 6 - офирнованный снег; более 0, 6 - фирн) и запасы воды в снеге (произведение объема на плотность). Определяются размеры подземного оледенения, оценивается объем льда, выясняется его происхождение (гидрогенное, атмогенное, смешанное), вид отложений (покровный лед, сталактиты, сталагмиты, кристаллы и пр.).

42. Температура воды, отбор проб. Необходимо определить во всех водотоках и водоемах с помощью термометра (цена деления 0, 2°С) температуру воды. Проба воды на химический анализ должна отбираться по договоренности с какой-либо научно-исследовательской организацией. Стандартный объем проб - 1, 0 л. Вода отбирается в предварительно вымытые и дважды ополоснутые отбираемой водой бутылки или полиэтиленовые фляги. Для отбора воды из мелких ванночек следует иметь небольшую спринцовку и тонкий шланг. Вода под землей, в карстовых полостях обычно на 5-10° ниже, чем воздух на поверхности. Поэтому бутылки заполняются до горлышка (иначе расширившаяся при нагревании вода выбьет пробку). Следует придерживаться следующей схемы отбора:

атмосферные осадки (дождь, снег);

поверхностные водотоки у впадения в шахту (с указанием площади водосбора и характера подстилающих пород);

вода из карров и других микроуглублений в известняках;

инфильтрационная капель из трещин и со сталактитов;

конденсационная вода;

вода непроточных ванночек;

вода из подземных водотоков (отбирается через каждые 50 м с указанием глубины отбора, а также в каждом притоке перед его впадением в главный поток);

карстовые источники на поверхности.

Каждый водопункт должен быть охарактеризован пятью - десятью пробами. Большой интерес представляют гидрохимические данные, собранные по одной схеме (с зафиксированными точками отбора проб) в разные сезоны (летом, зимой) и при разных условиях питания карстовой полости (в глубокую межень - конденсационно-инфильтрационное, после сильного ливня - инфлюационное). Поэтому при работе в новом карстовом районе не следует набирать много проб из разных полостей. Значительно большую информацию даст сбор материала из одной эталонной полости. Например, в шахте Географическая на массиве Алек гидрохимические работы проводились семь раз. Это позволило дать полную характеристику гидрохимических условий массива при отсутствии наблюдательных гидрогеологических станций.
Ценность гидрохимических наблюдений зависит от качества сопутствующих наблюдений - определения температуры воды, расхода водотока и кислотности среды (рН).

Не менее важная проблема - накопление так называемых режимных данных. Карстовые полости при больших расходах подземного потока недоступны для исследований. Поэтому очень важно иметь данные о расходе и химическом составе связанных с пещерами источников на поверхности. При длительных стационарных работах (проведении спелеолагерей, сборов) следует организовывать и такие наблюдения с отбором проб и замерами расхода источников ежесуточно.

43. Сведения о режиме обводненности. Эти сведения весьма важны как в научном отношении, так и для обеспечения безопасности спелеопутешествия и определения возможных зон спасения при внезапном паводке.

Спелеопутешествия проводятся в основном в теплый сезон, когда наибольшую опасность представляют ливневые осадки. Поэтому при подготовке путешествия необходимо ознакомиться с материалами работы предыдущих групп, собрать литературные данные, опросить местных жителей. В сухих (в момент посещения) пещерах в нишах и на полках, а также на стенах можно обнаружить следы уровней паводковых вод в виде горизонтальных полос серого или черного цвета, примазок глины с травинками, листвой, ракушками, отложениями песка. Положение этих уровней показывает, до какой высоты затапливается пещера, а состав гальки и песка дает ответ о скорости и расходе подземного потока. Для этого надо замерить диаметры валунов, замытых в пещеру, и взять пробы песка, гравия и гальки из разных ее участков. В полевых условиях по диаграмме М. М. Василевского или в лаборатории, просеяв песок через специальные сита, легко определить средний и максимальный диаметр песчинок. Отложение и движения частиц разного диаметра происходят при различных скоростях потока. Для размыва сцементированных отложений (подземных террас) требуется еще большая скорость. Например, при среднем диаметре зерен 0, 3 мм минимальная скорость потока, при которой может происходить его движение, составляет 2, 5 см/сек (0, 025 м/сек). Для размыва таких отложений скорость воды должна быть почти в десять раз больше. Зная площадь поперечного сечения пещеры (кв. м.), по правой части номограммы Буркхардта (рис. 23) можно приближенно определить расход потока, например, при площади 3 кв. м. расход составляет 0, 075 куб. м./сек. Этот метод открывает интересные перспективы для изучения палеогидрогеологии пещер. Отобрав послойно образцы песка, гальки и валунов из разреза заполнителя, обнажающегося в стенках полости, можно определить, как изменялась ее обводненность на протяжении значительного периода.

Для определения паводкового подъема уровня воды в подземных реках, недоступного непосредственному наблюдению можно использовать следующий метод. На берегу реки оставляют надежно закрепленную " этажерку" с горизонтальными площадками, на которые помещают какое-либо растворимое, но не гигроскопическое вещество, например поваренную соль. Участники следующих экспедиций в данную полость отмечают высоту самой верхней площадки, на которой соль отсутствует. Она и соответствует максимальному уровню подъема воды за прошедшие периоды половодья. В горизонтальной пещере Зигзаг на Урале казанские и свердловские спелеотуристы установили, что подъем воды в подземной реке с расходом в межень 20-30 л/сек достигает 1.5 м. Расход воды при этом может возрастать в 100 раз Сведения такого рода представляют интерес как в гидрогеологическом плане, так и для обеспечения безопасности спелеопутешествий.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: