Геоморфология и палеогеография, 2021, T. 52, № 2, стр. 14-20

ВВЕДЕНИЕ

Научное познание подземных полостей весьма многогранно ввиду их широкого использования и специфичности. Но, видимо, в первую очередь они входят в область интересов геологии (говоря о веществе, в котором образованы полости) и геоморфологии (изучение морфологии, генезиса, возраста и динамики их внутренней поверхности). Подземные полости в значительной степени определяют морфодинамические условия системы “геологическая среда – подземная полость –рельеф”. Появляясь обычно как новообразования геологической среды, подземные полости, в свою очередь, начинают сами оказывать на нее значительное влияние: например, могут быть каналами разгрузки грунтовых вод, приводить к разуплотнению грунтов и т.д. Все это зачастую приводит к изменениям в рельефе – вызванным подземными процессами деформациям земной поверхности (воронки, мульды проседания, карстовые колодцы, слепые овраги и т.д.). То есть можно (и нужно) говорить о геоморфологической корреляции. В некоторых случаях подземные полости могут создаваться и с поверхности – тафони и ниши выдувания (в неоднородных литифицированных осадках типа песчаников и конгломератов), водобойные гроты и пещеры на побережьях и пр.

В последнее десятилетие разрабатывается концепция субрельефа (“рельефа” подземных полостей) [1, 2], систематизируются знания об опасных и неблагоприятных субтерральных (буквально – подземных) процессах [3–5]. В рамках концепции для обозначения твердой поверхности подземных полостей используется термин “субрельеф” (буквально – ПОД рельефом и ПОЧТИ рельеф), исходя из устоявшегося представления о рельефе как совокупности неровностей твердой ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ (в отличие от субрельефа). Предложены терминологический аппарат, генетическая классификация форм субрельефа, глубинное деление (зонирование) подземных полостей, даны границы применимости концепции. Также раскрыты некоторые особые свойства подземных полостей – такие, как объемная замкнутость отрицательных форм, значительная обособленность от поверхностных процессов, глубинная зональность.

О необходимости подобного переосмысления и развития геоморфологической научной методологии изучения подземных полостей (особенно их морфодинамической связи с собственно рельефом) аргументированно указывали прежде многие авторы [6, 7]. Приведем еще такую цитату: “В ходе любого геоморфологического исследования, имеющего различные цели (определение строения рельефа, изучение последовательности его формирования, прогноз изменений и пр.), возникает необходимость провести операцию расчленения на составные части такого сложного объекта, каким является рельеф [в случае настоящей статьи – субрельеф]. Подобный методический прием позволяет представить природную систему в виде взаимосвязанных элементов, изучение взаимоотношений которых приводит к познанию статической структуры сложной системы…” [8, с. 18].

В настоящей статье предложена методологическая основа научного геоморфологического изучения субрельефа и субтерральных процессов различных генетических типов на разных масштабных уровнях.

ПОДЗЕМНЫЙ МОРФОЛИТОГЕНЕЗ

Синтез геологических и геоморфологических знаний привел к возникновению в середине XX века учения о морфолитогенезе, как едином, хотя и сложном, процессе одновременного образования преимущественно рыхлых отложений и экзогенных форм рельефа. Идея о триединой системе “форма – процесс – вещество”, как противовес структурной и основа климатической геоморфологии раскрыта в публикациях Ю.Г. Симонова [9, 10] и соавт. [11] и использована в огромном числе работ второй половины XX – начала XXI веков. И это неудивительно, ведь “учение о морфолитогенезе имеет свой социальный заказ” [11, с. 42].

В познании морфодинамики в подземных полостях учение о морфолитогенезе занимает, на наш взгляд, центральную позицию. Действительно, почти все полости формируются при изъятии каким-либо процессом объема горных пород (или органического вещества, например, корней) с последующим его транзитом и аккумуляцией, которая создает формы рельефа (или субрельефа). В более редких (иногда исключительных) случаях, когда полость образуется в результате аккумуляции (литификации) вещества, окружающего эту полость, мы видим вновь в образовании форм и рельефа, и субрельефа результат триединого процесса морфолитогенеза.

Вместе с тем концепция подземного морфолитогенеза имеет существенные отличия и дополнения к учению о морфолитогенезе (по Ю.Г. Симонову) [9, с. 13]. Изначально термин “морфолитогенез” не применялся к процессам эндогенного морфогенеза, хотя, очевидно, в нем и присутствует каждый из компонентов триединой системы (веществом могут являться, например, вулканические горные породы). Вместе с тем эндогенные (например, лавовые тоннели) и некоторые формы субрельефа смешанного генезиса образуются также в рамках триединой системы “форма – процесс – вещество”. Впрочем, в своей более поздней работе Ю.Г. Симонов [10] слово “экзогенный” уже не использует; но в качестве третьей части системы морфолитогенеза (вещества) упомянуты лишь рыхлые отложения. Автору настоящей статьи сложно согласиться с признанием только рыхлого вещества в качестве составной части триединой системы морфолитогенеза. Согласно устоявшимся определениям, литогенез включает в себя и диагенез, и катагенез, как правило сопровождаемые литификацией. Этот же аспект весьма актуален и для антропогенного воздействия на рельеф – создания искусственных твердых покрытий, прошедших через ускоренное подобие процесса диагенеза (бетон, тротуарная плитка) или катагенеза (асфальтобетонное покрытие). Такие поверхности тоже признаются рельефом. Автору не известны работы, устраняющие это противоречие. На наш взгляд, единый процесс образования формы и осадка вовсе не исключает присутствие литифицированных (не рыхлых) пород, хотя такие случаи, безусловно, встречаются значительно реже (например, в районах развития карста).

На основе учения о морфолитогенезе автором статьи предлагается модель масштабно-уровенной организации процессов морфолитогенеза подземных полостей (табл. 1). В модель заложено три основания: 1) уровенность геоморфологических процессов (создание и преобразование подземных полостей); 2) генезис геоморфологических процессов; 3) масштаб действия этих процессов. Примеры форм субрельефа (как итог процессов морфолитогенеза того или иного иерархического уровня) приведены в основной части таблицы.

Вводится понятие “подземный морфолитогенез” для обозначения единого процесса образования денудационной подземной полости в результате извлечения объема горных пород и их дальнейшего транзита и аккумуляции, либо аккумулятивной подземной полости и ограничивающих ее пород. Здесь мы вновь в ситуации с образованием, например, лавовых тоннелей, выходим за рамки понятия “морфолитогенеза” (по Ю.Г. Симонову) как сугубо экзогенного процесса. Отметим, что “в природе также встречаются погребенные (или аккумулятивные) полости, хотя и намного реже – онкосы и спиракулы (газовые пузыри и тоннели в застывшей лаве), полости, возникающие при подводном срастании или сплетении грибообразных шляпок колоний кораллов” [2, с. 15].

В геоморфологии используют, вероятно, заимствованный из теории литогенеза (наложенный, или вторичный, литогенез; наложенный эпигенез) термин “наложенный морфолитогенез”, применяя его к процессам преобразования (но не создания) форм (в масштабе этих форм!) и подчеркивая соотношение генезиса и динамики (как, например, склонообразующие и склоновые процессы). Наложенный морфолитогенез наблюдается и в подземных полостях как единый процесс образования вторичной формы субрельефа и слагающих ее пород, либо извлечения пород и дальнейшего их переотложения в виде новой формы субрельефа и проходящий в устойчиво существующей подземной полости. Возможно, уместно использовать словосочетание “вложенный морфолитогенез”, так как отличительной чертой подземных полостей является замкнутый (квазизамкнутый) объем. Наложенный морфолитогенез может быть аккумулятивным (например, образование сталактитов) и денудационным (формирование русла подземной реки). Причем последний, в отличие от первого, существенно не изменяет форму и размер подземной полости на протяжении длительного времени, иначе стоит говорить уже о новом цикле подземного морфолитогенеза (например, углубление карстовой пещеры при тектоническом поднятии территории или изменении базиса эрозии). Наложенный морфолитогенез может быть иного генезиса (в том числе и сложного), чем полость, в которой наблюдается. Примером могут служить процессы карстово-суффозионного травертиногенеза на стенках антропогенно-техногенных подземных коммуникаций [12]. Очевидно, что, увеличив масштаб рассмотрения до уровня образования, например, сталактита, мы вновь перейдем от “наложенности процесса”, т.е. от динамики в пещере, к генезису конкретного сталактита. Отдельные друзы и ветви сталактита будут наложенными формами по отношению уже к самому сталактиту.

Таким образом, эволюция подземной полости представляется как двухуровневый процесс ее зарождения-формирования (генезиса) и дальнейшего преобразования (динамики). Необходимость выделения уровней организации геоморфологических объектов была обоснована ранее [8, 13, 14]. “Необходимо знать определенные соотношения между главными характеристиками объекта. Они заключаются в строгой иерархичности геоморфологических явлений и соответствии пространства, времени и процесса для каждого иерархического уровня… Должна существовать хорошая зависимость между пространственными и временны́ми масштабами, с одной стороны, и амплитудой, и частотой процесса – с другой. Соблюдение этого принципа размерности, или “уровенности”, возможно при введении понятия “уровень организации геоморфологических объектов” … – единство пространственно-временны́х характеристик, связанных между собой мерой их изменчивости, в пределах которого (единства) количественные изменения характеристик объекта не приводят к его качественным изменениям” [8, с. 20].

Ранее исследователями отмечалось, что “уровенный подход подводит нас к необходимости использования в исследованиях балансового подхода” [8, с. 22]. Для эволюции субрельефа ключевым является баланс между двумя указанными уровнями – соотношение генезиса и динамики, которое обязательно должно определяться и масштабом изучаемых форм.

Масштабы действия процессов морфолитогенеза показаны в соответствии с результатом этих процессов – формами субрельефа различных размеров (см. примеры в таблице). Средний масштаб соответствует образованию мезоформ, размер которых обычно не превышает несколько десятков км²; крупный масштаб – микроформам с размерами до первых км²; а очень крупный масштаб – нано- и пикоформам (от мм² до первых метров). В масштабно-уровенную организацию не выносится мелкий масштаб ввиду отсутствия конкретных подземных форм субрельефа такого размера. Крупнейшие подземные полости (например, пещерная система Мамонтова – Флинт-Ридж, метрополитены мегаполисов, наиболее крупные шахтные поля) хотя и превышают по протяженности 400–600 км, но все же сконцентрированы на площадях порядка десятков (в единичных случаях – нескольких сотен) км². Мелкомасштабный уровень в нашем случае может соответствовать только ареалам распространения форм и факторам формирования генетических типов субрельефа. Заметим, что наложенные формы среднего масштаба – явление крайне редкое под землей. Одним из следующих этапов развития концепции субрельефа должно стать, по мере набора статистики, решение задачи по количественному классифицированию форм субрельефа по их размеру.

Проблема определения меры геоморфологического времени, возможно, наиболее трудно решаема, на что неоднократно указывали многие ученые, например [14–16]. Предложенная выше уровенная организация (генезис – динамика) уже сама по себе предполагает наличие временно́й составляющей. Наиболее уместна, на наш взгляд, в качестве меры времени классическая концепция цикличности-стадийности В. Дэвиса. Эта концепция, что крайне важно в рамках теории подземного морфолитогенеза, подчеркивает важное свойство геоморфологического времени – его дискретность, или непрерывно-прерывистое течение [по 15, 16]. Рассмотрим на примере карстовой пещеры. Этап активного формирования и расширения карстовой пещеры относится к стадии ее юности; период ее наибольшего объема и широкого развития вторично-карстовых аккумулятивных форм (сталактиты, сталагмиты и др.) – к стадии зрелости; на стадии дряхлости пещера активно обваливается, на дневной поверхности образуются множественные провалы, впадины.

Это свойство геоморфологического времени выражается в цикличности. Например, объемы карстовой пещеры увеличиваются в гумидные эпохи, обвалы и образование форм вторичного карста происходит преимущественно в аридные эпохи; после чего, в новую гумидную эпоху, пещера вновь углубляется и расширяется. Так образуются многоярусные сложные пещерные комплексы. Вместе с тем все это – время относительное.

В работе использована оригинальная генетическая классификация форм субрельефа, публиковавшаяся ранее как один из содержательных элементов концепции субрельефа [1, 2, 4]. Особо отметим, что в классификации техногенный тип обособлен от антропогенного (буквально, “рукотворного”) ввиду специфичности воздействия машин и механизмов. Действительно, физический смысл генезиса формы рельефа (и субрельефа) – контакт некоего процесса с литосферой, в результате которого (контакта) образуется данная форма рельефа. Техника, создающая формы (в объемах, на десятки порядков превышающие в буквальном смысле “рукотворные”), не является воздействием собственно человека, хотя он и управляет этой техникой. В природе есть аналогичный пример – флювиальный рельеф, который образуется текущей водой, подконтрольной (как и машины – человеку) гравитации.

Заметим также, что смешанный класс, согласно классификации, включает в себя черты как эндогенного, так и экзогенного источников энергии. Например, выгорание торфа от удара молнии, выгорание пласта угля, вызванное внедрением магмы, и (огне)взрывные работы в шахте – суть один и тот же пирогенез. Только в первом и третьем случаях источник (причина) энергии процесса – экзогенный, а во втором – эндогенный.

Выше была показана идеальная двухуровенная модель подземного морфолитогенеза для замкнутой (не имеющей выхода на поверхность) или почти замкнутой полости. Напомним, что субрельеф – это совокупность неровностей границы литосферы с атмо- и гидросферой, частично или полностью находящихся ПОД твердой дневной поверхностью Земли (или иных планетных тел). Однако, очевидно, что такие формы субрельефа (или переходные к ним), как гроты, ниши выдувания, пространства внутри арок-кекур и многие подземные сооружения образуются не подземными процессами, а частично или полностью наземными (флювиальными, береговыми, карстовыми и т.д.). К таким формам в равной степени применим описанный выше двухуровенный (но не подземный) морфолитогенетический подход. В масштабно-уровенной организации генетических типов субрельефа мы приводим примеры конкретных форм; те из них, которые созданы частично или полностью наземными процессами, отмечены “звездочкой” (*).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена модель масштабно-уровенной организации процессов морфолитогенеза в подземных полостях, согласно которой выделяются два иерархических морфодинамических уровня в эволюции субрельефа:

• подземный морфолитогенез – процесс образования денудационной или аккумулятивной подземной полости;

• наложенный (возможно, “вложенный”) морфолитогенез – процесс образования в подземных полостях вторичных денудационных и аккумулятивных форм субрельефа, существенным образом не меняющих морфометрические характеристики самой полости.

Баланс между уровнями морфолитогенеза представляет собой соотношение генезиса полости и динамики в ней. Дальнейшее расчленение процессов морфолитогенеза подземных полостей происходит параллельно по масштабам и генетическим типам. Масштабы выделяются согласно размерам образующихся полостей и форм субрельефа. Мелкий масштаб (соответствующий, например, макроформам рельефа) мы не выделяем ввиду отсутствия форм соответствующих размеров.

В качестве меры времени (относительного) выбраны стадии/циклы (по В. Дэвису). Стадии юности соответствуют зарождение и активное расширение подземной полости; на стадии зрелости полость активно взаимодействует с геологической средой и даже с субаэральными процессами и формами, активно эволюционируют наложенные формы субрельефа; стадия дряхлости – активное разрушение полости с последующими деформациями земной поверхности. При определенных условиях полость может, не достигнув стадии дряхлости, перейти к новому циклу расширения. Цикличность и стадийность в той же степени характерны не только для полостей, но и для отдельных форм внутри них (сталактиты, сталагмиты и пр.).

Предложенная методологическая основа концепции субрельефа (“рельефа” подземных полостей) увязывает эволюцию подземных (иногда и полуподземных) полостей с классическим рельефом в единую природную или природно-техногенную систему, изучаемую так или иначе в рамках нескольких наук о Земле (в том числе и геоморфологией).