Пинего-Северодвинская область гипсового карста является самой северной зоной распространения глубинного карста в Европе. Она отличается чрезвычайно сильным развитием подземного и поверхностного карста. На десятки километров тянутся поля из тысяч примыкающих друг к другу карстовых воронок, участки изъеденной коррозией гипсовой плиты. Коэффициент площадной закарстованности на многих участках составляет 40-80%. Необычайно высокая концентрация форм поверхностного карста (плотность воронок, по Максимовичу, является весьма значительной, достигая 650 на 1 км²), а также результаты бурения при разведочных работах на Звозском месторождении гипсов свидетельствует об интенсивном развитии подземных карстовых полостей, занимающих 10-15% объема гипсовой толщи.

Общее число пещер, обнаруженных на описываемой территории, на 1 января 1974 г. составляет 134 при общей протяженности ходов более 25 км (табл. 1). На исследованных участках Пинего-Северодвинской карстовой области плотность пещер (по Максимовичу, 1965, 1966) достигает 200 на 1000 км², превосходя в этом отношении такие классические районы интенсивного развития карста, как Югославия, Румыния, Болгария, Пермская область, и уступая лишь Чехословакии (432) и Горному Крыму (820).

Все обнаруженные пещеры района приурочены к современному уровню эрозии, большинство из них имеет постоянные (35%) или периодически действующие (55%) водотоки. В пределах Пинего-Северодвинской карстовой области представлены как вертикальные подземные полости, так и горизонтальные пещеры.

Горизонтальные подземные полости могут быть отнесены к следующим 3 типам: 1) туннельно-речные, 2) лабиринтно-озерные, 3) прибрежно-паводковые.

По морфологии, отражающей степень развития подземного карста и условия заложения подземных полостей, отдельные участки пещер – их ходы и залы – можно отнести к следующим стадиям:

1) туннельная (каналовая стадия, по Максимовичу, 1963):
a) туннели, образующиеся преимущественно по трещинам напластования с ходами, развитыми в основном в ширину;
б) туннели, образующиеся преимущественно по вертикальным трещинам;

2) полости обвального типа с изометрическими или вытянутыми залами с плоским или куполообразным потолком и дном, покрытым навалами гипсовых глыб.

Между перечисленными подразделениями часто нет четких границ. Лабиринтно-озерные пещеры в глубинах гипсового массива нередко переходят в туннельно-речные. Туннели по мере приближения к выходу постепенно преобразуются в цепочки обвальных залов (рис. 4.3). Тем не менее, по общей конфигурации ходов и по соотношению участков, находящихся на определенных стадиях развития, пещеры могут быть достаточно четко классифицированы.

Рис. 4.3. Схема формирования туннельно-обвальных полостей. а - разрез, б - план, в - сечения.

Рис. 4.4. Схема развития пещерного туннеля.

Туннельно-речные пещеры представляют собой подземные русла постоянных или периодически действующих подземных водотоков (Голубинский провал, Ленинградская, Водная и др. пещеры). Они формируются преимущественно по трещинам напластования под действием напорных вод зоны горизонтальной циркуляции.

Наиболее крупные пещеры этого типа (Ленинградская, Чудная и др.) являются руслами подземных рек или же отрезками русел подземных рек, текущих под бортами крупных логов (пещеры логов Карьяловского и Железные ворота).

Наибольшие по размерам пещеры, разработанные маломощными подземными потоками, и глубинные части крупных пещер находятся на туннельной стадии развития. На начальной стадии их ходы представляют собой гладкостенные округлые в сечении полости малого диаметра (0,5-1 м). Если их дальнейшее развитие происходит по напластованию, то в результате образуются низкие (до 1 м) и широкие (3-8 м) ходы линзообразной формы с отношением высоты (h) и ширины (b) h/b<<1 (рис. 4.4; 5.14).

Дно туннельной части контролируется относительным водоупором в виде пропластков доломита или огипсованного известняка. Просачивание воды пещерного потока сквозь этот слой приводит к появлению "подрусловых" пустот, которые образуют после обрушения малорастворимых пропластков ходы, в сечении напоминают "восьмерку". В местах пересечения вертикальных тектонических трещин с трещинами напластования при растворении породы напорными водами формируются туннели значительного диаметра (до 4-5 м).

Дно пещер покрыто слоем вязкого суглинка, аллювия, вынесенных с поверхности красноцветных мергелей и суглинистых моренных отложений. На слое суглинка заметен узор волновой ряби. На местах изгиба подземного потока образуются омутки, по большей части заполненные водой. В сужениях пещер – на месте перекатов – происходит отложение гальки из окатанного доломита, переслаивающего гипсы, и щебня кристаллических пород.

В межень водные потоки в пещерах занимают лишь часть поперечного хода пещеры, они меандрируют, подмывая одну из стен пещер и откладывая наносы у другой стены. Там, где регулирующая роль тектонических трещин сказывается незначительно, меандрирование потока, вероятно, обусловливает неправильный, извилистый рисунок плана пещеры.

Низкие плоские своды пещер носят следы размыва напорными водами, в период паводка занимающими все сечения пещеры. Своды покрыты кавернами размыва. Местами в результате растворения на сводах образуется каменное кружево, отслаивающееся тонкими пластинками. В неровностях сводов часто можно видеть веточки деревьев, клочки травы, принесенные с поверхности талыми водами.

Так как пещеры данного типа находятся на стадии интенсивного размыва, никаких вторичных образований в туннелях не обнаружено.

Пещерами, находящимися преимущественно на туннельной стадии развития, являются 15% исследованных полостей, в их числе большинство пещер Соткинского и Голубинского районов, в частности небольшие пещерки, обнаруженные в бортах логов и представляющие низкие, труднопроходимые туннели, до половины затопленные подземным потоком. На рис. 4.5 приведены гистограммы ширины, высоты и формы ходов для типичных туннельных пещер, какими являются Малая Голубинская, Голубинский провал, Водная и другие.

Рис. 4.5. Гистограммы распределения ширины (b), высоты (h) и формы (h/b) ходов в пещерах Малая Голубинская - а, Голубинский провал - б, Пинежская им. А. Терещенко - в и Водная - г.

Участки пещер, находящиеся на обвальной стадии, представляют завершающий этап развития гипсовых пещер, связанный с обрушением сводов вследствие значительного увеличения ширины туннельных ходов на предшествующей стадии. Последовательное обрушение блоков породы приводит к образованию ходов и залов значительного объема, дно которых завалено глыбами гипса, скрывающими пещерный поток. Сечение таких ходов залов – изометрическое (h/b≈1), высота (ширина) достигает 10-15 м (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема развития обвальных ходов и залов. а - трещины напластования, б - вертикальные тектонические трещины, в - прослои доломита.

Обвальные участки представлены либо цепочками залов с обрушенной кровлей, соединенных участками сохранившихся туннелей (пещеры Ленинградская, Карьяла и др.), либо залами привходовой части пещер, образовавшимися в результате обвалов по трещинам оседания.

Обвалы сводов пещер происходят, как правило, по трещинам напластования между слоями гипса или по прослойкам доломитов или красноцветных суглинков в толще гипса. При этом образуются залы округлой формы, несколько вытянутые по направлению туннеля, с почти плоским потолком. Дно залов загромождено обвалившимися глыбами. Верхняя часть глыб плоская, сохраняющая форму поверхности напластования, по которой произошел обвал. В нижней части осыпей на глыбах порой можно заметить остатки первоначального свода туннеля, покрытые кавернами растворения.

При дальнейшем развитии обвальных процессов обрушивается центральная часть потолка по вышележащей трещине напластования, затем следуют дальнейшие обвалы. Наиболее сформировавшиеся обвальные залы имеют сводчатые потолки с несколькими ступенями в сечении. Граница каждой ступени отмечена на своде концом того слоя, по которому произошел один из следующих друг за другом обвалов.

Часто осевший над туннелем свод целиком заваливает полость туннеля, но зато выше обвалившейся полости образуется ложный второй этаж пещеры. Частичный обвал, происшедший на втором этаже, может сдвинуть полость еще выше и образовать третий этаж пещеры и т.д. Подобная же картина наблюдается и при неравномерных обвалах сводов залов, когда обвалившиеся глыбы гипса разделяют первоначально существовавшую полость на несколько крупных промежутков между глыбами, дно которых часто находится на разных уровнях.

Такого рода "ярусность" пещер следует четко отличать от истинной этажности – различного уровня развития полостей, промытых карстовыми водами в результате поднятия массива или углубления базиса эрозии. Обвалы сводов туннеля, перегораживая подземный поток на дне хода, вызывают смещение ручья к одной из стен, в результате чего начинается односторонняя разработка туннеля. На развитой стадии этого процесса поперечное сечение пещерного хода приобретает вид несимметричной наклонной щели, нижняя часть которой представляет туннель с плоским сводом, глубоко врезанный в гипсовый массив, а верхняя является обвальным залом с крупноглыбовой осыпью, иногда полностью отделяющей "верхний" этаж от подземного ручья. Подобное строение имеют большинство галерей Ленинградской пещеры, пещера Холодильник, а также большинство пещер, образовавшихся в борту сухих логов (лог Святого ручья, Тараканий и др.).

Вблизи обрывов, там где массив гипсов разбит вертикальными трещинами оседания, в карстовые полости оседают четырехугольные глыбы гипса, придающие овальным залам прямоугольную форму. Местами происходят обвалы промежутков между залами, в результате чего несколько округлых залов соединяются в один продольный обвальный зал, вытянутый по течению подземного потока.

На сводах ряда пещер встречаются органные трубы на разных стадиях их развития. Слабо развитые трубы представляют более или менее крупное углубление в своде, как правило, приуроченное к трещине. Из таких зачаточных труб часто наблюдается капеж. Более развитые трубы соединяются с поверхностью. На поверхности им соответствуют карстовые воронки. Под органными трубами, имеющими в диаметре 40-50 см, расположены конусы вынесенного с поверхности мелкозема. По большей части такие трубы забиты застрявшими в них камнями и землей.

Обвальные залы в приречной части пещер образованы в результате обрушения прибрежных частей пещеры по трещинам оседания. Чаще всего такие пещеры находятся под свежими обрывами, образующими своеобразные "карстовые цирки" на фоне относительно ровной стены приречных обрывов. Из-под осыпи на дне цирка к реке выходят ручьи или бьют подводные источники.

Вход в пещеру обычно находится за осыпью на контакте ее с обрывом и представляет нависшую часть свода последнего зала пещеры, обвалившегося по трещине оседания. Вследствие подпруживания осыпью подземного потока в последних залах пещер часто образуются озера с непостоянным уровнем (пещеры Б. Голубинская, имени Л. Земляка, Чудная и др.). Порой привходовые залы не имеют доступных проходов в более глубокие части пещеры (Дворец Снежной Королевы, Б. Голубинская пещера и др.), замыкаясь сифоном или же узким непроходимым туннелем, забитым льдом.

Большинство обвальных залов привходовой части таких пещер заполнено льдом. Это объясняется тем, что осыпь экранирует циркуляцию воздуха в пещере, образуя в передних залах своеобразный "ледяной мешок", в котором зимой скапливается холодный воздух, не прогревающийся в течение всего года. Подпорные озера в таких пещерах часто покрыты многослойным льдом, каждый слой которого фиксирует один из постоянно меняющихся уровней озера.

Проходы между залами в прибрежной части пещер иногда представляют собой расширенные трещины оседания, имеющие прямоугольное или треугольное сечение. Стены таких проходов, высота которых намного превышает их ширину, не носят следов размыва и покрыты трещинами и бороздами сколов. Дно проходов покрыто слоем гипсового щебня. В плане такие ходы имеют четкий угловатый рисунок, отвечающий основным направлениям трещиноватости (см. планы пещер им. Л. Земляка и Водной, рис. 3.3 и 5.6).

На гистограммах формы ходов в пещерах Ленинградской, имени Л. Земляка, Малой Голубинской (рис. 4.5-4.7) четко усматриваются участки, соответствующие развитию обвальных ходов и залов пещер, где h/b≈1-2.

Рис. 4.7. Гистограммы распределения ширины (b), высоты (h) формы (h/b) ходов в пещерах им. Л. Земляка - а, Ленинградская - б и Трехглазка - в.

Наибольшее число пещер Пинего-Северодвинской карстовой области (67%) включает участки как туннельной, так и обвальной стадии развития. В них глубинные части представляют низкие туннели, а среднюю и привходовую части занимают обвальные залы.

Лабиринтно-озерные пещеры встречены преимущественно в Березниковском районе в заливаемой паводками долине р. Белой и прилегающих к р. Пинеге неглубоких логах.

Пещеры этого типа разрабатываются по трещинам напластования под воздействием паводковых вод. Направление ходов четко контролируется вертикальной трещиноватостью гипсового массива. Типичный пример – пещера им. Александра Терещенко – гипсовый останец в заливаемом половодьями неглубоком логу (рис. 5.13).

Останец пронизан лабиринтом почти прямых в плане пересекающихся ходов туннельного типа, четко отражающих трещиноватость гипсового массива. В плане они имеют форму перевернутой луковицы. Нижняя расширенная часть ходов разработана паводковыми водами. Заострение в своде – тектоническая трещина, по которой разработан ход.

К переходному от лабиринтно-озерного к туннельно-речному типу можно отнести пещеры Кулогорского пещерного района. Их глубинные части разработаны преимущественно подземными ручьями и реками, а привходовые формируются с участием паводковых вод.

Прибрежно-паводковые пещеры встречены в основном в Березниковском карстовом участке, в длинном, но относительно невысоком гипсовом обнажении, отвесно обрывающемся в р. Пинегу. Во время половодий, достигающим на этом участке реки высоты около 6 м, паводковые воды интенсивно корродируют гипсовое обнажение на глубину до 30 м. При этом по вертикальным трещинам образуется весьма своеобразный тип полостей.

Сечение полостей имеет "готическую" форму высокого, заостренного кверху треугольника. Высота ходов, замыкающихся в своде узкой щелью, достигает 3-5 м при ширине 0,5-1,5 м (h/b>>1). Ходы этих пещер имеют в плане четкий геометрический рисунок, определяемый направлением трещиноватости в гипсах, усиленной процессами присклонового оседания. Они входят в гипсовый массив под углами, близкими к 45%, и пересекаются в глубине почти под прямым углом. Стены ходов гладкие, с неглубокими кавернами растворения. Дно покрыто песком и глинистыми наносами. В сводовой части некоторых "готических" ходов, на высоте нескольких метров от пола, заклинены бревна, занесенные туда паводком. Удаленные от берегового обрыва участки пещер, формирующиеся под действием грунтовых вод, являются типичными ходами туннельно-обвального типа.

Наиболее характерными прибрежно-паводковыми пещерами являются относительно небольшие полости в невысоких обрывах левого берега р. Пинеги выше дер. Березник (П-1, П-2 и т.д., рис. 3.18-3.21). На рис. 4.7, в показана гистограмма, характеризующая морфологию одной из пещер этой группы.

Прибрежно-паводковые пещеры имеют тот же генезис, что и лабиринтно-озерные. И те и другие разрабатываются полыми водами. Главное отличие в том, что первые размываются медленно текущими водами притеррасной части поймы, в то время как вторые образуются под воздействием стремительных стрежневых потоков основного русла реки.

Небезынтересно отметить, что полости в гипсах, подобные паводковым пещерам беговых обнажений, описаны И.А. Печеркиным с сотрудниками (1965) под названием "эфемерные пещеры". Авторы приводят результаты наблюдений за образованием и обрушением гипсовых пещер в прибрежной зоне Камского водохранилища. Представленные в работе планы "эфемерных" пещер, время существование которых составляет несколько лет, и форма поперечного сечения ходов удивительно похожи на описываемые пещеры Березниковского района, что свидетельствует о близости процессов, вызывающих образование полостей подобного типа. Кратковременный характер паводковой волны, производящей выщелачивание вертикальных трещин прибрежных обнажений р. Пинеги в течение 30-40 суток, намного удлиняет процесс образования и развития указанных полостей.

Вертикальные полости и участки пещер, обнаруженные на территории Пинего-Северодвинской карстовой области, представляют собой колодцы, шахты и вертикальные формы глубиной от 3-5 до 30-50 м общей численностью более 20 шт., включая такие крупные полости, как Балуновский и Карьяловский (рис. 3.14, а) провалы. По своему происхождению эти вертикальные элементы подземного карста могут быть отнесены к двум группам:

1. Коррозионные полости и участки пещер с замыкающимися в них ручьями, образующими водопады; примером таких форм могут служить водопадные участки многих пещер Соткинского (пещеры Ленинградская, Водопадная и др.), Голубинского (пещеры на Святом ручье, Водопадная в Карьяловском логу и др.) и других районов, а также отдельные крупные полости – Балуновский (рис. 3.2) и Северный (рис. 3.14, б) провалы.

2. Гравитационные (провальные) участки пещер, образующиеся в местах частичного или полного обрушения сводов крупных подземных залов и галерей; подобное происхождение имеют входной колодец Голубинского (рис. 4.26, а) и Карьяловского (рис. 3.14, а) провалов, вертикальный вход в Холодный зал Ленинградской пещеры (рис. 4.26, г), пещеры ЖВ-10 (рис. 3.5, д) и Двенадцати колодцев (Звозский район) и др.

На определенных стадиях развития вертикальных элементов процессы коррозии и гравитационного обрушения протекают последовательно или одновременно, что в конечном счете приводит к формированию сложных форм коррозионно-гравитационного типа, однако при этом, как правило, удается выделить основной и моделирующий факторы.

Полости и участки пещер первого типа, в которых ведущим процессом является коррозионная проработка полости, образуются при поглощении в гипсовой толще концентрированных водотоков, текущих по поверхности (Балуновский провал) или в подземном туннеле, подвешенном на местном водоупоре – прослойке доломитов (Северный провал). Воды ручья корродируют отвесные стены, образуя на них желоба растворения. Подобные желоба, обнаруживаемые на отвесных монолитных бортах сухих карстовых логов, отмечают начальные стадии коррозионной проработки позднее обрушенных полостей. Отступание водопада вверх по течению ручья обусловливает вытянутую в плане форму сечения этих вертикальных колодцев. Дно крупных коррозионных полостей покрыто сильно размытыми (до состояния гипсового "кружева") обвалившимися глыбами гипса и доломитового щебня.

Провальные участки пещер, как правило, приурочены к бортам логов (Карьяловский и Голубинский провалы) или их днищам (ЖВ-10), при этом они вскрывают подземные залы и галереи пещер, разработанные реками, текущими под дном и бортами логов – Железные ворота, Карьялы, Тараканьего и др. Крупные провалы представляют собой отвесные или наклонные колодцы, неровные стены которых образованы обрушением и отслоением гипсовых блоков по вертикальным трещинам и напластованию, а дно наклонных участков покрыто щебеночной осыпью. При значительном обрушении сводов подземной полости образуются вертикальные колодцы, имеющие в поперечнике до 10 м (Голубинский провал). В стенах таких колодцев обнаруживаются остатки сводчатого потолка обрушенной полости, а также нависающие или заклинивающиеся глыбы объемом до 5-10 м³, обвал которых обнаруживается при повторном посещении полости (Голубинский провал, пещера Г-1 в Голубинском районе). В ряде случаев своды подземной полости вскрываются узким понором при углублении днища воронок, при этом сечение колодца, приводящего в горизонтальную полость, не превышает 0,8-1,2 м (Ленинградская пещера, Карьяловский провал). Поглощение осадков, выпадающих на площади воронки, вызывает поступление в такие провальные колодцы глинистых масс, сносимых с поверхности и покрывающих стены колодца, а также образующих конусы выноса в основании колодца.

Северный провал (рис. 3.14, б) является примером комбинации двух описанных выше форм вертикальных полостей. Здесь из провальной воронки узкий заглиненный ход ведет в высокий сводчатый зал, в центре которого – колодец, разработанный подземным водопадом.

Оценка интенсивности

Формы поверхностного карста