Предисловие переводчиков:

Ниже мы помещаем перевод статьи одного из ведущих мировых специалистов в области карстоведения, спелеогенезиса и палеоклимата профессора Дерека Форда из Университета Мак-Мастера в Канаде. Профессор Форд подготовил много работ о карсте приполярных районов, в том числе посвященных изучению гипсового карста. Около десяти лет тому назад он с супругой посетил Пинегу.

Прежде чем представить вашему вниманию перевод одной из статей профессора Форда, хотелось бы сказать несколько слов об истории ее появления на страницах Северного СпелеоАльманаха.

Хотя редакция Альманаха и акцентирует внимание на том, что журнал посвящен преимущественно карсту Архангельской области, однако, название этого издания "Северный" как бы обязывает к более широкому освещению вопросов карста всех северных территорий. Так, отдельные исследования карста севера проводились на территории Советского Союза (Архангельская область, Урал), о чем существует краткий обзор в монографии Гвоздецкого "Карст". Есть также крупные работы по карсту Шпицбергена, Гренландии и Канады.

Поскольку в России на настоящий момент нет специалиста, который бы квалифицированно занимался бы общими вопросами карста северных территорий, то нам хотелось бы в ближайших номерах Альманаха поместить несколько переводных статей ведущих мировых специалистов, посвященных карстовым процессам в криогенных условиях. Хотелось бы, чтобы это послужило мостиком к тому, что Северный Спелео Альманах постепенно модифицировался из узко регионального журнала в издание энциклопедического характера, где можно было бы прочитать материалы о карсте Арктики всей России и мира в целом.

Мы просим прощения у автора и читателей, за то, что пришлось несколько отступить от авторского текста. Это было вызвано необходимостью некоторого сокращения текста, но надеемся, что это не изменило сути статьи. Впервые статья была опубликована в Geomorphology Sans Frontieres. Edited by S.Brian McCann and Derek C. Ford. 1996, John Wiley & Sons Ltd. Глава 6., страницы 153-179. Печатается с разрешения автора.

Перевод: Спиридонова Инга А., Мавлюдов Булат Р., Семиколенных Андрей А.

Выпускающий редактор: Семиколенных Андрей А.

Институт географии РАН

Примечание. Нами использована только часть иллюстраций из статьи Д. Форда с сохранением их оригинальной нумерации.

Я имел привилегию и удовольствие принимать в своём Университете в Гамильтоне Третью Международную Геоморфологическую конференцию. Председатель оргкомитета конференции, профессор Олав Слэймэйкер (Olav Slaymaker), пригласил меня представить нашу местную группу геоморфологов в сериях пленарных докладов, которые, как он предполагал, будут целесообразны для выбора темы, демонстрирующей что-нибудь из очень большого ландшафтного разнообразия Канады для геоморфологов из других стран. Моя специализация в карстовой геоморфологии и спелеологии: "Карст в холодном климате" потребовала около 120 цветных слайдов для иллюстрации ландшафтов и характеристик карста, сделанных в 9 провинциях Канады и Северо-Западных Территориях. Чтобы соединить вместе множество различных мест в этой географической экскурсии, была выбрана тема влияния оледенения на карстовые ландшафты и процессы. Общеизвестно, что значительная часть облика Канады возникла под действием последних четвертичных ледников и ледниковых покровов. Другие геоморфологические элементы могут рассматриваться как переработанные ледниковые эрозионные фигуры и ледниковые отложения, оставленные в момент отступления ледника. Карстовая геоморфология также во многом соответствует такому сценарию. При этом, однако, системы пещерных каналов могут уцелеть подо льдом и продолжить там ускоренное развитие. Потенциальное усложнение ситуации - в распространении многолетней мерзлоты и ее динамике в фазах ледовых циклов. Большая часть данного материала была представлена ранее в специализированных изданиях.

Карстовая геоморфологическая система

Диагностическая характеристика карстовой геоморфологической системы основана на преобладании одного процесса - растворении пород водой. В карсте растворение или преобладает в количественном аспекте, или служит спусковым механизмом, позволяющим другим процессам действовать, например, когда свод у полости, образованной растворением обрушивается механически.

На рисунке 1 показана гипотетическая схема, предназначенная для демонстрации сложности природных карстовых систем. В условиях преобладания процесса растворения, характерная особенность состоит в том, что вода циркулирует под землей через системы трещин или туннелей вместо стока по поверхностным речным руслам. Находясь обычно глубоко, большинство систем туннелей могут, в отличие от поверхностных русел, выдержать "соскабливающую" деструктивную деятельность ледника. Поверхностная речная сеть в значительной степени разрушается после каждого воздействия ледника, в то время как подземные карстовые формы сохраняются в модифицированном виде. Хотя рисунок 1 демонстрирует, что сеть карстовых каналов может образовываться по причине выхода термальных или других глубинных вод, большинство подземных карстовых сетей Канады было создано циркулирующими атмосферными водами, проникающими на глубину не более нескольких сотен метров, и протяженностью от сотен метров до нескольких десятков километров вдоль путей гидрологического стока.

Рис. 1. Процессы и состав карстово-геоморфологических систем

Распространение карстующихся пород в Канаде показано на рисунке 2. Для гипса и ангидрита, а также известняка и доломита, показаны общие контуры, в тех местах, где эти породы не перекрыты другими плотными породами, хотя они могут быть прикрыты тонким слоем ледникого обломочного материала. Общая площадь карстующихся пород 1,2 x 106 км². Кроме того, существует территория в 0,7 x 106 км², расположенная в Квебеке, Онтарио, Prairie и Долине Макензи, где эти породы перекрыты только тонким покровом консолидированных пород и поэтому могут подвергаться современному межслоевому растворению. Соли встречаются на глубинах 200-2400 метров на территории 0,5 x 106 км² в провинциях Prairie и в меньшей количестве в Новой Шотландии, Новом Брунсвике, Онтарио, Британской Колумбии, Долине Макензи и на арктических островах. Соль растворяется везде, куда проникают грунтовые воды.

Рис. 2. Распределение карстующихся пород и известных карстовых явлений на территории Канады.

Карстующиеся породы встречаются в каждой тектонической и топографической обстановках, известных в Канаде. Преобладает горизонтальное или слабо деформированное залегание пластов платформенного известняка, доломита и гипса, покрывающих большие территории в Южном Онтарио, низменностях залива Гудзон, Манитобе, долине Макензи и на южных арктических островах. Сильно деформированные массивы встречены в аппалачской складчатости на западе Ньюфаунленда, Новой Шотландии и полуострове Gaspe в Квебеке. Деформированные, а часто и метаморфизированные карбонаты встречаются на Канадском щите, особенно в геологической провинции Гринвиль в Онтарио и Квебеке (мраморы) и Лабрадорской впадине. Большой тектонический надвиг известняка и доломита - основной горообразующий фактор во многих хребтах Скалистых Гор и горах Макензи.

Такое распределение пород плюс климатические условия, меняющиеся от гумидного до субгумидного типов, позволяет предположить, что карстовые формы существовали еще до первого оледенения, прокатившегося через территорию Канады. Карстовые процессы развиваются успешно в промежутках между оледенениями, а также во время оледенений. Ниже описываются ограничения для их распространения, а также различные проявления, которые возможны в условиях, когда поверхность покрыта льдом. Возможны как конкуренция карста и ледника, так и их взаимоусиление.Современный канадский карст имеет доказательства обоих типов этих взаимодействий.

На рисунке 2 видно, что карстующиеся породы распространены также в современных районах мерзлоты. Мерзлота может вносить ограничения в циркуляцию грунтовых вод, необходимую для развития карстовых систем. Однако, большинство современных карстовых обнажений, находящихся в мерзлотных условиях, были покрыты льдом в течение основного времени оледенения. Взаимодействие между карстом и ледником и мерзлотные процессы, происходили либо в определенной последовательности, либо одновременно. Эту тему мы обсудим в заключительной части данного обзора.

Действие оледенения на карстовые системы

Таблица 1. Действия ледника на карстовые системы

Разрушающие, нарушающие:

1. Соскабливание (эрозия) карров или иных малых карстовых форм.
2. Расчленение объединённых систем дренажа.
3. Выполнение воронок и более крупных поглотительных форм, зарастание источников.
4. Инъекция обломочного материала в пещерные системы.

Сдерживающие:

5. Экранирование: богатые карбонатом или сульфатом ледниковые отложения защищают коренные породы от послеледникового растворения.

Защитные:

6. Запечатывание: богатые глиной отложения запечатывают и ограничивают эпикарстовые водоносные горизонты.

Побуждающие:

7. Фокусирование притоков, поднятие гидравлического напора - с наложенными ледниковыми потоками или водоносными горизонтами.
8. Понижение высот водных источников - из-за ледникового врезания.
9. Глубокая инъекция ледниковых талых или грунтовых вод, в момент, когда коренные породы изгибаются во время изостатических прогибаний и поднятий.

Важный и широко распространенный эффект - эрозия неглубоких карстовых элементов рельефа. Основание ледника обычно влажное, за счет чего он может скользить по поверхности. На карстовом рельефе "смазывающие" ледниковые воды могут поглощаться карстовыми туннелями, поэтому леднику труднее двигаться, и он может примерзать к основанию. Эрозия действует в основном на микрокарры и карры, так как они наиболее хрупкие. Однако, там, где имеется растресканная известняковая поверхность, состоящая из отдельных плит ("грайков" - grike) и глубоких трещин, хорошо поглощающих воду, она может быть полностью стерта ледником. Нарушения могут быть и частичными: лед способен снести только часть известнякового слоя - примерно 1-2 метра. Основания грайков, которые расположены глубже основных трещин, могут сохраняться. Это может привести к развития нового поколения карров, когда лед отступит. Это было показано при статистическом изучении ширины грайков на ледниковых поверхностях [Rose & Vinsen, 1986]. Однако, основания грайков могут оставаться инертными после воздействия шильдинговых эффектов, упомянутых ниже. Большое количество "обезглавленных" грайков встречаются в известняковых и доломитовых карьерах и шахтах в Квебеке, Онтарио и Монитобе.

Описываются также отдельные останцы и скальные башни. Большинство из известных мне останцов - постгляциального возраста. Наиболее крупные из них находятся в отдаленных северо-западных районах гор Макензи, и они не были подо льдом в течение последних 350 000 лет. [Brook and Ford, 1978]. Подразумевается, что ледник удалил более древние останцы в этих районых. Некоторые, более крупные, известняковые конические холмы выдерживают натиск ледника, хотя и преобразуются от его воздействия. Они встречаются в районе Гуз-Арм на Ньюфаунленде и в долине реки Бенсон на острове Ванкувер.

Ледниковое расчленение карстовых водоносных горизонтов происходит потому, что ледники, которые проникают в зрелый карст, не могут быть поглощены его подземным стоком. Этот процесс наиболее существенен в альпийских регионах, например, в Скалистых Горах. Наилучший пример, известный к настоящему времени, находится на континентальном разделе Crowsnest Pass ("Тропа Воронье Гнездо") в Alberto-British Columbia. Известняковые слои там формируют куэсту, наклон которой направлен к западу. В них существует центральная сланцевая формация, которая разделяет водоносные карстовые горизонты на две части. Реликтовые фрагменты фреатических пещер встречаются в породе вплоть до самых верхних участков скал. Их возраст определяется в несколько миллионов лет. Судя по этим пещерам, ранняя дренажная система куэсты была карстовая и довольно простая, направленная в сторону Тропы Воронье Гнездо вдоль направления залегания пород. Куэста на поверхности ледникового шрама была в результате разделена гляциальными цирками и сквозными долинами. Вследствие этого современный дренаж представляет собой смесь локальных поверхностных и карстовых элементов. Подземный дренаж вдоль залегания пластов сохранился недалеко от Тропы (рисунок 4). На северной стороне, 6 метрами выше озера Воронье Гнездо, которое хорошо видно с шоссе, подземный дренаж разгружается в виде источника, а на южной стороне вода уходит в Британскую Колумбию и разгружается ручьями в источниках Альберта. Дальше от Тропы некоторые ручьи остаются на поверхности земли, а некоторые уходят под землю и текут от одного цирка до другого. Ситуация, по-видимому, изменялась в зависимости от состояния пещер до и после воздействия ледника.

Рис. 4. Схематические карты, показывающие расчленение палеокарстовых водоносных горизонтов в Британской Колумбии. Перед оледенением (А) водоносные горизонты были, вероятно, организованны таким образом, чтобы осуществлять региональный подземный дренаж вдоль плоскости основной трещиноватости пластов в сторону Тропы Воронье Гнездо. Ледниковое расчленение (В) фрагментировало эти системы. Дренаж вдоль трещин напластования наблюдается сейчас только рядом с Тропой.

Выполнение положительных или отрицательных карстовых форм возможно ледниковыми или доледниковыми отложениями. Ледники могут нести с собой большое количество скальных обломков. На юге Саскатуна (Saskatoon) закрытая депрессия в скальной породе величиной 12 х 25 км полностью заполнилась иловатыми отложениями и озерно-ледниковыми осадками, в результате чего она прекратила свое существование как топографический элемент (Christiansen, 1967). Мы полагаем, что многие тысячи других более мелких карстовых депрессий были заполнены и исчезли.

Рис. 6a. Маленький ручей впадает в бессточную воронку в ледниковом карсте Гузарм на острове Ньюфаундленд	Рис. 6в. Для сравнения приводится тропический карст в Пуэрто-Рико. Масштабы на обоих рисунках примерно одинаковы. Но карст острова Ньюфаундленд заблокирован снизу глубокой ледниковой инъекцией.

Заполнение и захоронение не обязательно подразумевает, что карстовая долина или полье будут не способны выполнять их гидрологическую роль после отступления ледника. Если заполнитель проницаем и достаточен гидравлический градиент между местом просачивания и базисом эрозии, то вода может проникнуть через заполнитель в водоносный горизонт. Вследствие действия вод карст может через некоторое время вновь проявиться на дневной поверхности. Пример этого процесса - карстовая система реки Малигны (Maligne River) вблизи Яспера (Jasper, Alberta).

Инъекция подразумевает не просто заполнение карстовых форм, но и внедрение материала под давлением глубоко в водоносные горизонты и отложение в подземной гидрологической системе. Это не простой процесс, однако, существует множество примеров такого явления, обнаруженных в Канаде. Транспортирующие потоки могут быть надледниковыми и внутриледниковыми, но в большинстве изученных случаев они оказались подледниковыми.

Рис. 7. Схематическая карта, иллюстрирующая структуры поверхностного и подземного дренажа в заливе Бони на острове Ньюфаундленд. Озера, отмеченные черным цветом, разгружают все воды под землю. Озера белого цвета имеют поверхностный речной сток. Озера, показанные штриховкой, дренируются под землю, но в периоды паводков могут иметь поверхностный сток.

Наиболее яркие примеры инъекции обнаружены в пещере Кастлгад в Национальном Парке Банф (Castleguard Cave, Banff National Park, Alberta). Эта пещера, самая протяжённая и замечательная из известных на настоящий момент в Канаде, имеет на глубине около 200 метров подо льдом Колумбийского ледяного поля (Ford, 1983a) галереи верхнего этажа, закупоренные ледяными пробками. Пещера Кастлгад заходит под ледник глубже, чем остальные известные пещеры, а ее ледяные пробки уникальны. Пещеры Накиму в Британской Колумбии (Nakimu Caves) - прекрасный пример более обычной инъекции. Их проводящие каналы были заполнены льдом до глубины 120 метров во время наступления последнего ледника (Saunderson, 1977). Это заполнение является моделью "идеальной инъекции". В основании отложений ледника находится грубый осадок, а выше залегает пачка чередующихся слоёв сортированного гравия и песка, которая в верхней части заканчивается 12-метровым слоем ленточных глин. Последний слой интерпретируется как результат гляциальных условий, когда карстовый дренаж был полностью подчинен ледниковым водоносным слоям (Ford, 1979). Большая часть кластического заполнителя была удалена во время позднего ледникового или раннего постледникового периодов. Локальные скорости и давления воды были в то время настолько велики, что их гидродинамика может быть сопоставлена с работой гигантского туалетного бачка.

Одна из наиболее необычных карстовых систем Канады находится между Goose Arm, Penguin Arm и Bonne Bay Big Pond на западном Ньюфаунленде. Эта территория развита в складчатых известняках и доломитах, и представляет рассеченный массив с перепадом высот от 50 до 350 метров. Там существуют примеры холмов, которые оказываются расчлененными на асимметричные формы вследствие воздействия ледника. В этом районе удалось описать более 40 крупных закрытых депрессий, которые также были изменены эродирующим воздействием ледника или отложением илистых осадков. Большинство депрессий имеют озера, многие из которых дренируются исключительно через подземные каналы, а некоторые - исключительно поверхностными руслами. При этом сток части озер с подземным дренажом регулируется путем сезонного оттаивания. Эти три типа распределены без какой-либо географической закономерности.

Химия карстовых вод и температуры в этих озерах также необычны. К их специфике относится то, что современные дренажные каналы примитивны по строению и дезорганизованные. Количество мелких наземных ручьев примерно соответствует там количеству карстовых долин. Однако, крупные размеры долин требуют существования хорошо интегрированного водоносного слоя, состоящего из путей водного транзита в виде всего нескольких крупных региональных водотоков.

Окружающие массивы представляют собой гранитные и метаседиментационные возвышенности, которые послужили источником для отложений, обогащенных глиной и илом. Эти отложения перекрывают депрессии и междуречья. Мы полагем, что подледниковая инъекция глины полностью "засорила" ранее существующие водоносные горизонты, послужив причиной частичного заполнения воронок и развития современной комбинации поверхностных и подземных дренажных путей, которые имеют постгляциальный возраст (Karolyi and Ford, 1983).

Возобнавление растворяющей атаки на породу, которое следовало за отступлением ледника, может быть подавлено, если карстующаяся порода перекрывается осадками, содержащими фрагменты карстующейся породы. Эти осадки ослабляют растворяющую атаку, нейтрализуя воду до того, как она достигнет карстующейся породы. Этот эффект называется "защита" (Таблица 1) (у Форда - shielding, от shield - щит. - Прим.перевод.). Он очень важен, что особенно заметно на примере Канадской низменности. В Онтарио и Квебеке мы обнаруживаем, что 1-2 метра проницаемого для воды ила, содержащего обломки местной породы вполне достаточны, чтобы защитить лежащие ниже известняки и доломиты, в течение 11000-14000 лет, прошедших с момента отступления ледника. Если выкопать разрез и осмотреть поверхность карстующейся породы под перекрывающим слоем, то можно заметить не измененную поверхность ледниковых шрамов и ледниковую полировку. Будучи оставленой в открытом состоянии, такая поверхность деградирует менее чем за 10 лет.

На острове Антикости (Anticosti Island) в заливе Святого Лоуренса (Gulf of St.Lawrence) также имеются примеры постледникового карста. Достаточно большие площади, где карстующиеся породы залегают у поверхности, не имеют никаких поверхностных водотоков или прудов, так как вся вода просачивается под землю. Однако есть небольшие территории, покрытые карбонатными глинами не более 25 см тощиной. Эти глины оказывают защитное воздействие. На их поверхности развиты неглубокие болота (Roberge, 1979; Roberge and Ford, 1983). Переход от заболоченных ареалов к сухому карровому полю может составлять всего 2-3 метра.

В Виндсоре в Новой Шотландии (Windsor, Nova Scotia) последние ледники полностью удалили гипсовый башенный карст, оставив волнистую исцарапанную поверхность с вмятинами днищ небольших воронок. Хотя в той же породе, залегающей под 4-6 метровым слоем ила, содержащего обломки гипса, прекрасно сохранилась исходная поверхность возрастом около 12000 лет. Башенный карст, сохранившийся под илами, наблюдается также на обрывах современных гипсовых карьеров. В дельтах приливных рек илистый нанос удален на протяжении нескольких сотен метров и плотный останцовый карст развился заново за постгляциальный период.

До сих пор мы рассматривали разрушающее влияние ледника на карст, так как оно преобладает. Однако, многие массивы под слоем льда испытывают незначительную эрозию, так как нижний слой ледника может примерзать к подложке. На известняках и доломитах прекрасное сохранение исходной поверхности (например, сохранение мелких карров) может происходить под слоем подтаявшего ила, который откладывался в момент таяния льда. Такой эффект называется "запечатывание" (sealing, от слова seal - печать. Прим. перевод.).

Наиболее яркий пример такого "запечатывания" располагается в районе Виннипега и представляет плотную трещиноватую карстовую мостовую, которая покрывает площадь в 3500 кв.км. (Ford, 1983b). Это одна из наиболее обширных мостовых такого типа в мире. Последние ледники затронули только отдельные участки этой формации, однако, ее большая часть сохранилась под илом, который сверху дополнительно перекрыт озерными глинами (Glacial Lake Agassiz clays). Ил частично заполняет верхний метр мостовой, но глубоко не проникает. Как следствие этого - мостовая с илами является прекрасным водоносным горизонтом, запечатанным сверху глиной, через который вода дренируется в Виннипег (Render, 1970).

Последняя группа эффектов взаимодействия карста и ледника заключается в том, что ледник может стимулировать развитие карста, особенно во время общего отступления ледника, когда огромные количества льда быстро тают. Крупные ручьи талых вод могут быть направлены в потенциальные точки карстового стока внутри ледника, или же вдоль его окраин, что продолжается в течение нескольких десятков или сотен лет. Уже интегрированные ледниковые водоносные горизонты накладываются на карстовые водоносные горизонты в породе. Эти процессы концентрации ручьев и поднятия гидравлического напора (focusing streams and raising hydraulic head) наиболее эффективны в расчлененных альпийских массивах (таких как Скалистые Горы). Возможно, что наиболее быстрое развитие средне- и мелкомасштабных карстовых форм в карбонатных породах, особенно в пещерных системах, происходит именно в этих обстоятельствах.

Доказательством концентрации стока является широкое распространение реликтовых депрессий, шахт (Прим.перевод. - слово shaft переводится в геологическом словаре, как вертикальный колодец или лаз в пещеры) и входов в пещеры, которые находятся в гидрологически невероятных позициях. Среди примеров - шахты в хребтах вдоль внешних краев остаточных морен, которые представляю точки просачивания, или короткие карстовые системы (воронки, пещеры и источники), встречающиеся высоко в стенках главных долин.

Очень важным является наложение ледникового и карстового водоносных горизонтов (рисунок 8). Оно действует наиболее эффективно в горных депрессиях, углубленных ледником. В Канадских Скалистых горах имеется несколько сотен сильно углублённых цирков, которые сейчас дренируются через известняки в их днищах. Наиболее яркий пример такого наложения найден на Колумбийском Ледяном поле - самом крупном сохранившемся ледяном массиве в этих горах: маленькое озеро в депрессии, возникающее целиком внутри льда в течение некоторых летних периодов, которое некоторое время стабильно, а затем резко опорожняется, прорывая собственное дно (Muir and Ford, 1985, plate 8). По-видимому, оно разгружается в нижележащий карстовый водоносный горизонт и должно называться "карстовым йокульхаупом" (karst jokulhaup) (прорыв озером ледниковой дамбы).

Рис. 8. Схематический разрез через Кассельгардский карст в Скалистых Горах, показывающий часть ледяного поля Колумбии, наложенный на карстовый водоносный горизонт. Кассельгард-2 является современной системой недоступных пещер, разгружающая подледниковую талую воду в нескольких сотнях метров ниже Кассельгардской пещеры. Кассельгард-3 - это вторая недоступная система, которая является низовым дренажом альпийских лугов и части Саскатунского ледника.

Развитие карста также стимулируется тем, что ледники заполняют основные долины, поскольку это увеличивает гидравлический градиент между поглощением и источником, путем понижения высоты линии выхода источников. В западных горах многие мелкие карстовые системы не способны изменять уровень синхронно быстрому понижению базиса эрозии, из-за чего их источники оказываются "подвешенными" в стенках на высоте в несколько десятком метров, хотя водонепроницаемые слои, побуждающие к этому, отсутствуют.

Появление ледника инициировало возникновение небольших пещерных систем в Канадской низменности. Там где русла постледниковых рек изменились так, что проходят в сопрокосновении с пещерными системами, вполне вероятно, что некоторое количество воды начинает захватываться в подземный сток. Вудхаускриг (Wodehouse Creek) в Онтарио - случай, когда параллельный захват происходит вдоль края всей основной ледниковой долины (Cowell and Ford, 1975). Beaupre и Caron (1986) описывают много сходных примеров в Квебекском карстовом районе.

Рис. 9. "Саскатунское понижение", где отмечено положение четырех закрытых депрессий в коренной породе, которые в настоящее время заполнены ледниковыми осадками. Штриховкой показан 70-метровый провал, образовавшийся на месте самой крупной депрессии по окончании Висконсинского оледенения.

Последний эффект действия ледника - более дискуссионный, чем другие. Существует предположение, что во времена широкомасштабного отступления ледника происходит компенсационное изостатическое поднятие пластов пород, поэтому становятся возможными инъекции большого количества талых вод на большие глубины (до 1000 метров). Такая инъекция связывается с изгибами коры (crustal flexure), которая образована действием обратных связей. (Прим. перевод.: флексура - складка, образовавшаяся в результате медленных деформаций). Механизм этого эффекта может быть единовременным или медленным, но эффект проявляется один раз за время ледникового цикла. Он поставляет большое количество воды в глубокие или захороненные слои и стимулирует межпластовое растворение пород.

Доказательством этого эффекта является то, что многие глубокие провальные структуры были либо инициированы, либо обновлены во время отступления ледника. В большинстве случаев (кроме случаев стрессовых давлений) провалы появляются при растворении солей или ангидритов, которые находятся поверх известняков и доломитов или иных пород, не проницаемых для вод. В Канаде обнаружены примеры этого явления в Южном Саскачеване (Saskatchewan). Первый случай - озеро Хови (Howe Lake) (Christiansen, 1971). Это депрессия, где висконские илы (Wisconsinan. Прим. ред.: Висконское оледенение соответствует в отечественной классификации Валдайскому) обнаруживают цилиндрическую складчатость, с прогибом вниз на 78 метров. Провал произошел сразу после того, как лед отступил. Депрессия медленно заполнялась смытой почвой и эоловой пылью в течение Голоцена и сейчас имеет глубину 10 метров, хотя ее диаметр 300 метров. Саскатунское Понижение (рисунок 9) - более значительное топографическое образование, хотя в настоящий момент оно почти не выражено в рельефе. По данным и анализам Христиансена она принадлежит к серии ранних провалов глинистых сланцев Верхнего Мела, которые имеют прогибы складок, по меньшей мере, 190 метров и создают глубокую депрессию, размером 25 на 40 км, плюс три более мелкие по бортам складок. Христиансен полагал, что эти провалы верхнемеловых сланцев могли произойти в Третичное время, хотя этому факту нет гидроголических доказательств. Также нет доказательств, что они не могли образоваться в Четвертичное время (мое мнение на их возраст - именно таково). Наиболее поздний провал сохранился в пределах более древнего образования и произошел точно по завершении последнего оледенения. Илы этого возраста оказались на глубине 190 метров, а сама депрессия полностью заполнена постледниковыми озерными отложениями, которые были стабильны в течение послеледникового времени. Провал распространялся в солевой породе, лежащей основанием на доломите в 1100 метрах ниже современной поверхности.

Доказательства ледникового обновления палеокарста (карст, сохраняющийся инертным после его заполнения или захоронения под консолидирующим слоем) Девонского возраста были обнаружены в Пайнт Поинт цинково-свинцовом рудниковом районе (Pine Point zinc/lead mining district). Это район находится южнее озера Грэйт Слэйв (Great Slave Lake). Руды заполняют палеопещеры и провальные воронки в барьерном рифе (Rhodes et al., 1984). Некоторые воронки имеют ядра четвертичных илов или последовательность слоев с четвертичными илами. Замещение исходных сульфидных заполнителей говорит о том, что существовало обновление циркуляции подземных вод в Четвертичное время. Современные гидравлические градиенты слишком низкие для поддержки такой циркуляции вод, следовательно, логично было бы предположить, что она происходила в период дегляциации.

Последний эффект более чем другие подчеркивает проблемы, с которыми приходится сталкиваться, когда речь идет о карсте ледниковых территорий.

Карст, оледенение и мерзлота

Сложность и разнообразие ледниковых эффектов усиливается в мерзлотных районах Канады. Там проводилось недостаточно исследований - по причине дороговизны командировок. Изменение скоростей процессов, связанных с карстовыми водами, понято еще недостаточно.

Карстовые образования могут содержать и поддерживать постоянный грунтовый лёд намного южнее, чем находятся общепринятые границы вечной мерзлоты. Там где существуют подземные камеры, круто опускающиеся с поверхности вниз, они могут захватывать плотный зимний воздух и задерживают его в течение всего лета, если только отсутствует прямое освещение или крупные водяные потоки на дне. Такие пещеры - "ловушки холода". Вода, стекающая в них, замерзает и может аккумулироваться (с сезонными слоями как на обычных ледниках) в некоторых карстовых шахтах до глубин в десятки и сотни метров. Эти ледовые тела называются "пещерным льдом" (Прим. Б. Мавлюдова - это французское слово из работы Балча, Balch, 1900). В настоящее время нам известно только несколько примеров таких полостей в Канадских Горах. Пещерные льды сохраняются там, где среднегодовые внешние температуры воздуха около 0° С или немного выше. Маршал и Браун (Marshall and Brown, 1974), используя соотношения изотопов кислорода во льду в пещере в Crowsnest Pass, предположили, что возраст пещерных льдов не менее 4000 лет. Наиболее известная пещера со льдом - Ледяная Добшинская Пещера (Dobsinka Ice Cave) в холмах южной Словакии, где 150.000 куб.м. льда сохранилось в ледяной ловушке, в то время как внешняя среднегодовая температура воздуха имеет очень высокое значение +6 *С.

Развитие карстовых систем, по-видимому, не существенно ограничивается зонами островной мерзлоты (sporadic permofrost). Постоянное промерзание в этих районах приурочено к глинистым почвам, которые хорошо накапливают грунтовый лед. Если эти почвы аккумулируются в ловушках, таких как днища воронок, может временно возникнуть препятствие для циркуляции воды и воздуха. Однако, Ковел (Cowell, 1983) исследовал низкоградиентную и низкоэнергетичную карстовую систему вдоль реки Аттавапискат (Attawapiskat River) в Низменности Залива Гудзон в зоне островной мерзлоты и не нашел ограничителей мерзлотной природы.

В более суровых условиях, в зоне широко распространенной, но прерывистой мерзлоты, промерзание распространяется и на подстилающие породы, вследствие чего ситуация усложняется. В долине Макензи были проведены исследования в краевых зонах непрерывной мерзлоты. Эти исследования позволили составить картину усиления ограничивающего действия мерзлоты. Карст Наханне (Nahanni karst) на 61° северной широты в Горах Макензи - более южный и хорошо изученный район. Это рассеченный массив глубоких воронок и коридоров растворения (рис. 12). Средние годовые температуры уменьшаются от -5 до -7° С с изменением абсолютных высот. Там имеет место беспрепятственный и хорошо интегрированный карстовый дренаж со всех крупных депрессий к ручьям. Между крупными депрессиями находятся реликтовые карстовые останцы. В этой зоне возникает нерегулярное затруднение разгрузки вод. Водосборы там маленькие, не превышающие несколько гектар. Сами дренирующие каналы воронок запечатаны льдом или промерзшим грунтом. Несколько сезонов вода может аккумулироваться над этими пробками, пока гидростатическое давление не прорвет их. Затем происходит разгрузка в течение нескольких часов или дней (Brook, 1983; Brook and Ford, 1978). Важный момент в отношение карста Наханне заключается в том, что карст был оледенелым, в период 350 000 лет и старше. Наблюдаемые карстовые формы, были образованы в более суровых климатических условиях, чем в настоящее время.

Рис. 12. Модель развития карста в горах в зоне прерывистой мерзлоты. Модель базируется на наблюдениях северной части карста Наханне.

К северо-востоку от низменности Макензи распространены низкие холмы и невысокие плато вокруг западной оконечности Озера Грэй Бэр (Great Bear Lake) на речных равнинах Хортон и Андерсон (Horton and Anderson river). Градиенты, поддерживающие циркуляции грунтовых вод - сильно редуцированны везде, кроме краев обрывов. Граница между прерывистой и непрерывной мерзлотой разделяет этот район. Там наблюдается неравномерное распределение воронок, которые составляют пояс шириной до 125 км. Этот пояс подстилается известняками, доломитом и гипсами. Он целиком был скрыт льдом во время Висконского оледенения, и большая часть этого района перекрыта ледниковыми отложениями, которые маскируют породы.

Ван Эвердингер (Van Everdingen, 1981) изучал южную половину пояса мерзлоты и закартировал 1400 воронок, 27 больших депрессий, похожих на полья и, по крайней мере, 63 основных карстовых источника. Карст в известняках и доломитах - мелкий и приурочен к краям обрывов. Вороночный карст развивается там, где грунтовые воды могут проникать через тонкий покров доломитов и известняков, чтобы достигнуть более растворимого гипса. Карстовая система поддерживается за счет того, что мерзлота образовалась уже в постгляциальное время. На самом деле, после таяния покровного ледника, мерзлота увеличилась по площади достаточно быстро в местах, где гидравлические градиенты довольно велики. Однако, вероятно, основные карстовые системы инициировались до постледниковых времен, возможно, в течение позднего ледникового времени, когда был изостатический стресс и большие объемы талых вод на поверхности земли.

К северу от границы прерывистой мерзлоты воронок становится меньше, но они встречаются, по крайней мере, еще на 200 км вглубь зоны непрерывной мерзлоты в низменности Макензи (Yorath et. al., 1968). Не существует детальных исследований, однако, если судить по аэроснимкам - площадь циркуляции активных карстовых вод постепенно уменьшается к северу. Это подразумевает, что площадь циркуляции карстовых вод была более обширна на момент отступания ледника, а затем вновь сократилась, когда пошло образование вечной мерзлоты, после того как ледник растаял.

Еще глубже в зону непрерывной мерзлоты (например, на арктических островах) современные карстовые процессы еще более ограничены. На известняках и доломитах в основном существуют мелкие формы (например, неглубокие карры) и они приурочены к краям обрывов, или же к активному слою на голых скальных выходах. Эти факты укладываются в простую модель ограниченной карстификации, которая была предложена Сири (Ciry, 1962). Лауриол и Грэй (Lauriol & Gray, 1993) описывают прекрасные примеры на острове Акпаток (Akpatok Island, Hudson Strait), который характеризуется мягким морским климатом (рисунок 14). Ву и Марш (Woo & Marsh, 1977) сообщают о больших ограничениях к арстовых процессов, имеющих место в суровых арктических условиях на острове Эльсмир (Ellesmere Island).

Рис. 14. На рисунке показана постледниковая известковая мостовая. Это clinton-and-grike массив на острове Акпаток. Это место находится в зоне непрерывной мерзлоты. Поверхность этой структуры пересекающихся грайков здесь редуцированна до термокластической каменной осыпи. Однако, продолжающийся эффективный карстовый дренаж создал выстроенные в линию микродепрессии, что подтверждает наличие современных процессов (Фотограф - Профессор Бернард Лауриол).

Существуют доказательства, что нормальная глубокая циркуляция карстовых вод и растворение породы происходили в окраинных зонах во время окончания последних оледенений. Можно наблюдать структуры пересекающихся коридоров растворения в известняках и доломитах на некоторых участках низменности Кинг Вильям, на арктических островах (King William, Prince of Wales and Somerset islands), полуострове Аделаида (Adelaide Penibsula) (Fraser and Henoch, 1959; Bird, 1967) и на расчлененных полуостровах острова Баффин (Borden and Brodeur peninsulas of Baffin Island). Эти коридоры реликтовые и в настоящее время инертные, также как и воронки в гипсе на острове Девон (Devon Island), которые очень хорошо сохранились и образовались, по-видимому, под действием талых вод на окраинах Висконского ледника. В цинково-свинцовом руднике Нанисивик (Nanisivik) на полуострове Борден у нас есть возможность посмотреть на мерзлоту изнутри. Рудник заложен в доломитах, среднегодовая температура территории около -11°С. Там, на протяжении 200 метров вдоль южной стены, доломит и руда (докембрийского возраста) представляют осыпь из гигантских блоков и находятся в замерзшем состоянии. Цементирующий агент - промерзший грунт. Очевидно, воды были впрыснуты до глубины, по крайней мере, около 60 метров в подстилающую породу под ледниковой долиной. Карстовый процесс растворения доломитов прекратился, когда воды замерзли, после удаления изолирующего ледникового покрытия (Ford, 1984).

Заключение

Принципиальным выводом статьи является то, что результаты воздействия ледника на карстовые системы, которые так широко распространены в Канаде, могут быть очень разнообразными. С одной стороны, они могут приводить к полному разрушению ранее существовавших карстовых форм, примером этого являются многие известняковые массивы в Онтарио и Квебеке. С другой стороны, даже достаточно хрупкие карстовые формы могут прекрасно сохраняться, пример чему - известняковая "мостовая" рядом с Виннипегом (Winnipeg). Растворение на поверхности этих крупных пластов известняка и доломита, которые перекрыты карбонатными илами, полностью заторможено. Противоположность этому - огромная скорость образования воронок и пещер на окраинах тающих ледников. В более растворимых гипсах зоны "полного торможения" и "наиболее быстрого образования" карста могут встречаться на расстоянии нескольких десятков метров друг от друга в зависимости от того,где залегают илистые отложения, или где они смыты.

Эти эффекты ограничивают достоверность современных измерений карстовых процессов в ледниковых районах. Кажущаяся эффективность карстовых процессов может являться продуктом ранее происходившей деятельности ледника. Наиболее высокие концентрации растворенных кальция, магния и карбоната, которые когда-либо были зафиксированы в обычных бикарбонатных водах, могут быть обнаружены именно в нашем канадском карсте (возможно - даже в варианте с доломитовом, который, как известно, менее растворим), так как эти воды не влияют на формирование современного карста, а насыщаются ионами за счет перекрывающих карбонатных илов. В этих карбонатных илах углекислота в виде газов, вода и карбонаты взаимодействуют в оптимальной системе, в трехфазных реакциях. Мы можем измерить современные процессы в районах постгляциального карста, таких как многие "известняковые мостовые", но результаты можно распространять на другие случаи, только если точно удается установить, что мостовые имеют постгляциальное происхождение, и на них не осталось следов обдирающего воздействия ледника. Современные процессные модели вообще не могут применяться для рассмотрения крупных карстовых форм, которые сформировались под действием ледниковых вод.

В районах вечной мерзлоты геоморфологические взаимосвязи становятся еще более сложными. В южных районах с высоким гидравлическим градиентом, например, таких как карстовый район Наханне (Nahanni karstland), существует мало препятствий для действия карстовых процессов. Но далее на север оказывается, что эпохи дегляциации (таяния ледников), возможно, являлись периодами наиболее значимого карстового генезиса, и, таким образом, современные карстовые системы являются в значительной степени унаследованными. Можно проследить аналогии с парагляциальными фазами и формами поверхности, кластической седиментологии и ледниковой геоморфологии (Church & Ryder, 1972). На арктических островах карст наиболее развит под ледниками. Его развитие не может продолжаться в постледниковое время, и он становится замерзшим реликтом прошлого, как, например, в Нанесивеке (Nanisivik).

Такое положение вещей не противоречит исследованию современных геоморфологических процессов, которое является значимой частью академической геоморфологии англоязычного мира последних 25 лет (Bremer, this volume, Chapter 2). Исследования и построения всегда будут отражать реальность при условии, что исследователь сможет оценить и уточнить пределы их действия. Уникальным признаком карстовой геоморфологической системы является то, что каналы располагаются под землей, где ледник не может оказывать прямого воздействия. Следствиями этого оказываются широкий разброс воздействий и взаимодействий, которые продолжают быть значимыми в постледниковом ландшафте.

ЛИТЕРАТУРА

Спелеологическая изученность

Подземные водотоки