Лаборатория геологии техногенных процессов
Горбунова К.А. Блинов С.М. Максимович Н.Г. Дорофеев Е.П. Факторы формирования режима подземных вод района Кунгурской пещеры// Вестник Перм.ун-та.-Пермь.1997.-Вып.4.-Геология.-С.148-162.
Факторы формирования режима подземных вод района Кунгурской пещеры
К.А.Горбунова, С. М. Блинов, Н. Г. Максимович, Е. П. Дорофеев
По данным многолетних режимных наблюдений, проводимых в Кунгурской ледяной пещере, выявлены основные факторы формирования уровненного режима карстовых вод закарстованного придолинного массива. Составлены карты гидроизогипс для типичных гидрогеологических периодов (межень, паводки). На основе их анализа подтверждено положение, что в паводки речные воды кратковременно внедряются в пещеру, а в межень дренируются рекой. Сезонные изменения уровня карстовых вод являются условием активизации карста. Влияние реки вглубь массива распространяется более чем на 0,5 км.
Кунгурская ледяная пещера — единственная в России, где ведутся многолетние режимные наблюдения за уровнем, химическим составом, температурой подземных вод, влажностью и температурой воздуха, состоянием ледяных образований и мерзлоты [3].
В 1934—1935 г.г. карстовая группа ленинградского отделения Гидростройпроекта произвела полуинструментальную съемку пещеры и оборудовала в ней метеорологические и гидрометрические посты. С 1948 г. режимные наблюдения были продолжены сотрудниками Уральского филиала карстово-спелеологической станции Московского университета (с 1952 г. — научно-исследовательский стационар Уральского филиала АН СССР, сейчас — лаборатория-стационар Горного института Уральского отделения РАН). Более 20 лет, по май 1992 г., ежемесячно наблюдения за уровнем воды на 10—18 гидрометрических постах проводил Е. П. Дорофеев (рис. 1). В паводковый период производились недельные замеры, а в пик паводка — ежедневные.
В 1993 г. в соответствии с научной программой «Университеты России» Пермский университет совместно с Кунгурским стационаром начинает комплексные исследования пещеры с целью установления закономерностей формирования закарстованного пещерного массива. С 1993 г. замеры уровней на гидрометрических постах и отбор проб воды на химический анализ производит И. И. Яцына.
Данные режимных гидрогеологических наблюдений за период 1985—1995 г. систематизированы в Пермском университете. Г. А. Сычкиной по общепринятой методике составлено более 20 карт гидроизогипс для разных лет и гидрологических периодов. Эти же данные обработаны в лаборатории техногенных процессов Естественнонаучного института на компьютере в пакете «SURFER».
Уровенный режим карстовых вод формируется в основном под влиянием следующих групп факторов: метеорологических, гидрологических, геологических и гидрогеологических, в меньшей степени — космических [14].
Метеорологические факторы. Особенностью климата района г. Кунгура является его континентальность, проявляющаяся в значительных годовых и суточных колебаниях метеорологических элементов. Среднегодовая температура воздуха в период 1971—1986 гг. изменялась от -1,1 до +0,74 °С [8]. Соответственно меняется температура воздуха во всех месяцах, включая апрель, когда сходит основная масса снега и формируется паводок.
Абсолютный минимум температуры воздуха -50 °С, максимум +38 ° С. Средняя продолжительность периода с отрицательными температурами около 170 дней. По данным метеостанции «Кунгур» среднегодовое количество осадков за период 1980—1993 гг. составляет 532 мм, на холодный период (октябрь-март) приходится в среднем 176 мм. Снеговой покров устанавливается в конце октября — начале ноября и держится в течение 170—180 дней в году. От запаса влаги в снеговом покрове, скорости схода снега, количества атмосферных осадков в период снеготаяния, а также количества жидких осадков в предшествующую осень зависит высота весенних паводков [8]. Дождливые периоды, годы — 1990, 1992, 1993 гг., являются причиной летних и осенних паводков, а также более высокого уровня подземных озер.
Гидрологический фактор проявляется в тесной связи режима карстовых вод с режимом р. Сылвы. Уровенный режим р. Сылвы охарактеризован по данным наблюдений на водомерном посту, оборудованном на правом берегу в 20 м от реки напротив входа в пещеру. Результаты наблюдений за 1975—1988 гг. обобщены в работе Ю. А. Ежова и др. [8]. За меженный уровень р. Сылвы на данном посту принята абсолютная отметка 112,6 м.
Режим реки отличается кратковременными весенними паводками и более длительными меженными периодами, на фоне которых в дождливые периоды проявляются невысокие летние и осенние паводки (рис. 2). В первом квартале года (январь-март) уровень р. Сылвы близок к меженному. В отдельные годы при дождливой предыдущей осени он несколько выше обычного (1990, 1991).
В случае ранней весны начало паводка отмечается в конце марта (1983, 1984, 1988), а при запаздывании снеготаяния — во второй половине апреля (1994). Пик паводка по данным за 1980—1994 гг. приходится на промежуток от 13 апреля до 12 мая. Подъем уровня воды в паводок за период 1980—1994 гг. колеблется от 3,23 до 7,74 м над меженным уровнем (112,60 м). Однопиковые паводки (1981, 1987) отличаются величиной подъема уровня воды до 7,74 м, двух- и трехпиковые не более 4,5 м (1980, 1984, 1994).
После прохождения весеннего паводка наступает межень. В дождливые годы (1980, 1983, 1984, 1986, 1990, 1991, 1994) наблюдались летние и осенние паводки на р. Сылве.
По данным ежедневных замеров, произведенных Е. П. Дорофеевым с помощью уровнемера ГР-38 в течение всего 1985 г., построен график колебаний уровней р. Сылвы и оз. Большого (рис. 3). На нем четко выделяются предпаводковая межень (январь, февраль, март), паводок с пиком 30 апреля (119,36 м) и послепаводковый период с летним 31 июля (114,18 м) и невысоким осенним 10 октября (113,29 м) паводками, вызванными дождями. Пик весеннего паводка на оз. Большом установлен 7 мая (115,56 м), то есть с запаздыванием по сравнению с пиком на р. Сылве на 7 дней. Невысокие летний и осенний паводки проявляются на озерах в сглаженном виде. Годовая амплитуда колебаний уровня р. Сылвы в 1985 г. составляла 6,5 м, в оз. Большом — 2,40 м, озере грота Длинный — 2,46 м. На этот же график нанесены результаты ежемесячных замеров уровня воды в скважине N 4 (грот Коралловый), отличающейся от остальной части пещеры более высокими уровнями воды. Большую часть года карстовые воды дренировались р. Сылвой.
Высокий весенний паводок наблюдался в 1987 г. Для этого года характерны предпаводковая межень (январь, февраль, март, начало апреля), начало паводка (вторая половина апреля), пик паводка (10 мая), спад паводка (вторая половина мая, начало июня), послепаводковая межень (вторая половина июня — декабрь) с незначительным повышением уровня озер в октябре в связи с дождями. Годовая амплитуда колебаний уровня р. Сылвы составила — 7,42 м, оз. Большого — 2,4 м (рис. 4). Дождливое лето и осень в 1990, 1992—1994 гг. являются причиной летних и осенних паводков на р. Сылве и более высоких уровней озер в пещере в эти годы.
Геологический фактор. Пещера находится в присклоновой части закарстованного платообразного междуречья Сылвы и ее притока — Шаквы [2]. К крутому склону массива примыкает 1 надпойменная терраса р. Сылвы, ширина которой у входа в пещеру составляет 120 м. Вниз по течению терраса выклинивается и коренной склон подходит к реке. В наиболее узком участке, равном 2,7 км, поверхность междуречья поднимается на 80—90 м над р. Сылвой.
Кунгурская пещера расположена на западном крыле северного погружения Уфимского вала (восточная окраина Восточно-Европейской платформы), сложенном отложениями филипповского и иренского горизонтов кунгурского яруса нижней перми.
Известняки и доломиты филипповского горизонта полого погружаются от сводовой части вала на запад. По данным пяти структурных скважин, расположенных на междуречье Сылвы и Шаквы, абсолютные отметки кровли горизонта уменьшаются от 192 до 114 м в 750 м от р. Сылвы (рис. 5). В пещере он вскрыт на отметке 111 м, а в цоколе 1 террасы — 104—106 м. По мере погружения на запад филипповский горизонт перекрывается иренским горизонтом. В крутом склоне у входа в пещеру обнажаются три пачки иренского горизонта: нижняя ледянопещерская гипсово-ангидритовая с прослоем доломита мощностью 31,6 м, вышележащая неволинская доломитовая с прослоем гипса — 13,9 м, и верхняя шалашнинская гипсовая — 16,5 м. В одной из воронок надпещерного поля выходят на поверхность доломиты елкинской пачки иренского горизонта — 3,8 м и гипсы низов демидковской пачки — 4,0 м. К северо-востоку от пещеры мощность иренского горизонта уменьшается. На плато две верхние пачки иренского горизонта — тюйская и лунежская — замещены карстовой брекчией. Юго-восточнее и восточнее пещеры иренский горизонт (ледянопещерская-демидковская пачки) граничит с филипповским горизонтом, в зоне контакта которых развита карстовая брекчия.
На плато породы нижней перми покрыты четвертичными элювиально-делювиальными отложениями и карстовой брекчией общей мощностью до 30—50 м. Первая терраса у входа в пещеру слагается суглинками, песчано-гравийными и глинисто-обломочными отложениями мощностью до 14 м. На сохранившемся фрагменте П террасы, восточнее П пещерного массива, мощность рыхлых отложений составляет 15 м (рис. 6).
Надпещерное поле площадью 0,37 км2 покрыто многочисленными воронками [5]. Из 136 воронок 34 расположены над конусообразными осыпями в пещере. Наибольшие из них имеют поперечник 20—50 м, глубину до 13 м. Склоны крупных воронок слабо задернованы, местами в них обнажены гипсы.
Пещера заложена преимущественно в гипсах и ангидритах ледянопещерской пачки, осложненных системами трещин различного генезиса, среди которых выделяются тектонические трещины северо-восточного и северо-западного простирания [11]. Некоторые органные трубы вскрывают доломиты неволинской пачки. Общее погружение кровли слабозакарстованных известняков и доломитов филипповского горизонта в сторону р.Сылвы, наличие карстовых брекчий и аллювиальных отложений восточнее пещерного массива на границе с площадью выхода филипповского горизонта определяют направление подземного стока карстовых вод.
Гидрогеологический фактор. Район пещеры расположен в северо-западной части бассейна трещинно-карстовых вод Уфимского вала. В сводовой части вала водоносными являются карбонатные отложения филипповского горизонта. По мере погружения на запад они приобретают роль регионального водоупора, на котором формируются подземные воды карстовых брекчий и трещиноватых закарстованных гипсов и ангидритов низов иренского горизонта.
Карстовые воды в восточной части пещеры (гроты Крестовый, Коралловый, Руины) вскрыты скв. 58—60 в глинисто-обломочных отложениях, залегающих на трещиноватых доломитах и известняках филипповского горизонта (рис. 6). В центральной части пещеры они питают многочисленные озера. Вода циркулирует как в глыбово-глинистых отложениях, так и в закарстованных трещиноватых гипсах и ангидритах ледянопещерской пачки, разделенных целиками. Движение воды имеет смешанный характер: ламинарный в глинисто-обломочных отложениях и турбулентный в крупноглыбовых осыпях и карстовых каналах.
В. Н. Дублянский и др. [7] выделяют три источника питания карстовых вод: конденсационно-инфильтрационный (47,0%), инфлюационный в результате внедрения речных вод (29,0%) и подземный (24,0%).
Областью питания инфильтрационных вод является надпещерное поле. Талые снеговые воды и атмосферные осадки поглощаются многочисленными воронками, которые, как это установлено, располагаются обычно над гротами. Они связаны с органными трубами, проницаемыми трещиноватыми закарстованными зонами. В пещере обнаружено 146 органных труб с поперечником до 10 м, высотой до 20 м. Внутри труб наблюдается постоянная капель [1]. Инфильтрационная вода поступает также по трещинам в гротах Руины, Гелогов, Длинный, Ночь Осенняя. В ряде гротов (Эфирный, Мокрая Кочка) капель из труб многократно усиливается в период таяния снега. В зоне вертикальной циркуляции в теплый период года, заметную роль играет конденсация водяных паров [12]. Теплый воздух через трещины надпещерного поля проникает в пещеру, охлаждается и вытекает наружу через вход и трещины в нижней части склона. При охлаждении водяные пары конденсируются в виде капель на поверхности породы. Режим инфильтрационных и конденсационных вод определяется в значительной степени метеорологическими факторами.
Внедрение речных вод (инфлюационный источник по В. Н. Дубленскому) происходит в периоды весенних и в меньшей степени летних и осенних паводков. Непосредственная связь вод р. Сылвы с гротами возможна только в юго-западной части пещеры, где 1 терраса выклинивается. Эксперименты с флюоресцеином, проведенные в 1973—1974 гг. Е.П.Дорофеевым [6], показали, что речные воды поступают через грот Вышка, с шумом прорываясь через нагромождения глыб в гроты Великан, Длинный и далее на северо-восток.
В южной и восточной части пещеры, где к закарстованному массиву примыкают I и фрагмент II террас, карстовые воды связаны с грунтовыми водами аллювиальных отложений, уровень которых изменяется синхронно уровню р. Сылвы. Северо-восточная часть пещеры (грот Коралловый), вероятно, является местом разгрузки вод карстовых брекчий, контактирующих с филипповским водоносным горизонтом. Вероятно, сток происходит вдоль крупного эрозионно-карстового лога.
В межень замедленный сток карстовых вод направлен из глубинных частей массива в пещеру и далее в р. Сылву; в высокие паводки речные и грунтовые воды аллювиальных отложений внедряются с юга и востока в пещеру, создавая подпор карстовых вод.
Космический (или астрономический) фактор. Ряд исследователей подметили влияние лунно-солнечных гравитационных сил на подземную гидросферу, проявляющиеся в колебаниях уровня подземных вод в скважинах и затопленных шахтах, пульсации дебита источников, пульсирующих выделениях газов. Приливные деформации трещин, сопровождающихся изменением трещинно-порового пространства горных пород, и их влияние на воды зоны аэрации изучаются в пещере Ваш-Имре, в Венгрии [4].
Влияние приливной пульсации трещин, вызванной лунно-солнечными приливообразующими силами, на фильтрацию карстовых вод в зоне аэрации и химический состав карстовых вод Кунгурской пещеры было изучено Ю. А. Ежовым, А. В. Лукиным, В. А. Шерстобитовым [9, 10]. Эти изменения режима химического состава и уровней карстовых вод проявляются на фоне сезонных изменений и не меняют общего фона.
Режим карстовых вод. Закарстованный массив и примыкающая к нему аккумулятивная терраса характеризуются изменяющейся в горизонтальном направлении водопроницаемостью. Изменчивость фильтрационных свойств оказывает воздействие на динамику потока подземных вод, вызывая изменение скорости и направления движения воды, формы и уклонов ее поверхности [14].
Неоднородный по строению поток в породах с изменяющейся в горизонтальном направлении водопроницаемостью разделяется на четыре части с различным режимом: северо-восточную, где сток в течение всего года направлен в глубь пещеры, что обусловлено наличием постоянного подземного источника питания; центральную озерную с незначительными уклонами зеркала карстовых вод, застойным режимом в межень и общим повышением уровня озер в паводок; южную с резко меняющимися направлением стока и уклонами в паводковые и меженные периоды; I террасу с грунтовыми водами, тесно связанными с рекой.
Карты гидроизогипс, построенные для типичных гидрологических периодов разных лет дают представление о динамике карстовых вод пещерного массива (рис. 7). Зимний и весенний предпаводковые меженные периоды до 1990 г. незначительно различались по абсолютным отметкам уровня воды (рис. 7). Наибольшие отметки зафиксированы в северо-восточной части (грот Коралловый — N 4). Отсюда сток направлен на юго-запад в озерную часть пещеры. Уклоны потока составляют 0,008 (15 декабря 1987 г., 15 марта 1991 г.). Озерная часть в межень представляет собой карстовый бассейн с почти горизонтальным положением зеркала карстовых вод. Весенняя межень 1991 г. характеризуется более высоким уровнем воды в озерах, по сравнению с 1987 г., так как ей предшествовал дождливый 1990 г. Из озерной части пещеры сток медленно направлен в сторону I террасы р. Сылвы.
Начало паводка сопровождается повышением уровня реки и грунтовых вод, которые внедряются в закарстованный массив, создавая подпор потоку, направленному из пещеры (рис. 7). Уклоны потока в южной части увеличиваются до 0,02. В высокие паводки (10 мая 1987 г.) наибольшие уровни карстовых вод установлены в гроте Руины (N 3), что, вероятно, связано с мощным подтоком грунтовых вод с востока. Одновременно происходит повышение уровня всех озер, но пик паводка на них запаздывает по сравнению с р. Сылвой на 7—8 дней.
Летние и осенние дожди вызывают невысокие паводки, сопровождающиеся явлениями, аналогичными весенним паводкам, но отличающиеся от них меньшим подъемом уровня воды в пещере. Например, в июле-августе 1986 г. сумма осадков составила 193,3 мм, что явилось причиной летнего паводка в пещере (рис. 7). В июле-октябре 1990 г. выпало 388,1 мм осадков, вызвавших осенний паводок.
В юго-западной части, где массив примыкает к реке, речные воды в паводок по закарстованным трещинам поступают непосредственно в гроты. В южной и юго-восточной части они фильтруются в аллювиальные отложения, а затем грунтовые воды инфильтруются в пещеру. Поднятие уровня карстовых озер вызывается как непосредственным поступлением речных и грунтовых вод, так и создаваемым ими подпором потоку, направленному из внутренних частей массива. Взаимосвязь уровней карстовых вод и р. Сылвы в течение 1990 г. отражена на рис. 8.
Режим карстовых вод пещеры по классификации Г. Н. Каменского естественный, прибрежный (речной), определяющийся гидрологическим режимом р. Сылвы. Главными режимообразующими факторами является изменение расхода и уровня реки.
Начиная с 1990 г. наблюдается повышение уровня подземных озер в пещере, обусловленное увеличением количества атмосферных осадков. Сезонные изменения направления стока, скорости и химического состава карстовых вод, повышение их уровня в последние 5 лет, являются факторами активизации карстово-обвальных и оползневых процессов в пещере. Гидрогеологические данные указывают на активную фазу эволюции Кунгурской пещеры.
Библиографический список
- Андрейчук В.Н., Дорофеев Е. П., Лукин В. С. Органные трубы в карбонатно-сульфатной кровле пещер//Пещеры. Проблемы изучения: межвуз.сб.науч.тр./Перм.ун-т. Пермь, 1990. С.16—23.
- Горбунова К.А., Андрейчук В. Н., Костарев В. П., Максимович Н. Г. Карст и пещеры Пермской области. Пермь: Изд-во Перм.ун-та, 1992. 200 с.
- Горбунова К.А., Дорофеев Е. П., Максимович Н. Г. Кунгурская пещера как объект научных исследований//Пещеры. Итоги исследований: межвуз.сб.науч.тр./Перм.ун-т. Пермь, 1993. С.113—120.
- Горбунова К.А., Максимович Н. Г. 10-й Международный спелеологический конгресс// Пещеры. Проблемы изучения:межвуз.сб.научн.тр. Пермь, 1990. С.119—120.
- Дорофеев Е. П. Соотношения размеров провальных впадин и карстовых полостей в сульфатных породах//Вопросы карстоведения. Пермь, 1970. Вып. 2. С.11—15.
- Дорофеев Е. П. Связь водоемов Кунгурской пещеры с р.Сылвой //Состояние и задачи карстово-спелеологических исследований: Тез. докл. Всес. совещ. М., 1975.
- Дублянский В.Н., Дорофеев Е. П., Бородаева Л. А. Гидрохимия Кунгурской ледяной пещеры/Симфероп.ун-т. Симферополь. 1984. 35 с. Деп. в УкрНИИТИ 30.03.84, N603 Ук-84.
- Ежов Ю.А., Дорофеев Е. П., Лукин В. С. Наводнения в районе города Кунгура (их причины, динамика, прогнозирование и меры борьбы с ними). Свердловск: УрО АН СССР, 1990. 50 с.
- Ежов Ю.А., Лукин А. В. Новые данные о химическом режиме карстовых вод Кунгурской ледяной пещеры//Пещеры. 1976. Вып. 16. С.35—40.
- Ежов Ю.А., Шерстобитов В. А. Влияние приливной пульсации трещин на фильтрацию карстовых вод в зоне аэрации//Пещеры. 1978. Вып. 17. С.70—78.
- Катаев В. Н. Структурно-тектонические условия формирования Кунгурской пещеры//Пещеры. Итоги исследований: межвуз.сб.науч.тр./Перм.ун-т.- Пермь, 1993. С.121—130.
- Лукин В. С. Количественное выражение процессов испарения воды и конденсации водяных паров в гипсоангидритовых массивах Уфимского плато//Землеведение. 1969. Т.8. С.213—218.
- Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963. Т.1. 448 с; 1969. Т.2.
- Основы гидрогеологии. Гидродинамика/Гавич И.К., Ковалевский В. С., Язвин Л. С. и др. Новосибирск: Наука, 1983. 241 с.
- Турышев А. В. Подземные воды Кунгурской ледяной пещеры//Специальные вопросы карстоведения. М., 1962. С.63—68.
|
|
|
