Один из самых привлекательных видов гидрогеологических исследований, имеющий близкое отношение к проблеме распространения воды в районах, сложенных известняками, — изучение пустот различных размеров, образовавшихся в известняках. До 1930 г. большинство геологов считало, что эти пустоты формируются выше свободной поверхности подземных вод в результате совместного воздействия растворяющей деятельности вадозных вод и врезания подземных водотоков. Однако Дэвис отметил, что существование таких особенностей районов распространения карстовых пустот, как каверны трубчатой формы, большие слепые ответвления пещер, зоны изящных сплетений, напоминающих бахрому, и обратные уклоны пещер, лучше всего можно объяснить, исходя из допущения, что пустоты первоначально сформировались ниже свободной поверхности подземных вод. Образование пещер у свободной поверхности подземных вод или над ней подтверждается тем, что поверхностные водотоки неразрывно связаны с водотоками, протекающими в пещерах, в последних отлагается речной гравий, доставляемый с поверхности, а на дне некоторых пещер наблюдается врезание речных меандров. Во многих пещерах, расположенных выше свободной поверхности подземных вод, имеются натечные образования (сталактиты, сталагмиты и другие формы), пещеры частично заполнены обломками, обрушившимися с кровли, дно этих пещер покрыто глиной.
В настоящее время большинство исследователей признают, что карстовые пустоты образуются как ниже свободной поверхности подземных вод, так и выше нее. Эта проблема живо обсуждается в литературе уже многие годы: опубликован ряд обширных обзоров. Несмотря на расхождение взглядов, большинство исследователей указывают на существование четких структурных факторов, определяющих размещение большей части изученных пещер. Упомянутые структурные факторы — образование трещин отдельности или тектонические процессы — обусловливают ярко выраженный прямолинейный рисунок пещер в плане (рис. 8.13).
Рис. 8.13. Прямолинейный и извилистый характер карстовых пещер в известняках, штат Иллинойс.
Один из исходных доводов Дзвиса в пользу образования пустот в известняках на некоторой глубине ниже свободной поверхности подземных вод заключается в том, что положение эквипотенциальных поверхностей в однородных и изотропных средах около линейного стока (реки) свидетельствует о глубокой циркуляции некоторого количества воды (рис. 8.14). Возможность глубинного растворения известняков подкрепляется последними геохимическими исследованиями, которые показали присутствие воды с недостаточным содержанием СаСO3 на глубинах по крайней мере 800 футов ниже поверхности. На рис. 8.14, где изображена гидродинамическая сетка, видно значительное скопление эквипотенциальных линий и линий тока около реки (линейного стока) и некоторое скопление этих линий у свободной поверхности подземных вод, что в свою очередь указывает на зоны больших скоростей движения подземных вод. Поскольку скорость растворения непосредственно зависит от количества воды, вступающего в контакт с породой в единицу времени, зоны наибольших скоростей движения подземных вод должны быть также зонами максимального растворения. Таким образом нарушается однородность, и большие количества подземной воды будут поступать в зону, прилегающую к свободной поверхности подземных вод. Нормальное напластование известняков, если оно почти горизонтальное, будет способствовать увеличению начальной анизотропии, которая по своему характеру должна усиливать действие растворения у свободной поверхности подземных вод. Следовательно, если основываться на общих Соображениях, наибольшее количество пустот, образующихся в настоящее время в умеренно однородных породах, должно быть вблизи свободной поверхности подземных вод и около очагов их естественной разгрузки.
Рис. 8.14. Гипотетическая схема движения подземных вод в однородной и изотропной среде при обеспеченном питании.
Данные, получаемые при бурении скважин на воду, обычно свидетельствуют о том, что вероятность вскрытия крупных пещер, заполненных водой, очень мала даже в районах, известных своими пещерами. Даже если определено общее направление пещеры, карты пещер, расположенных в настоящее время выше уровня грунтовых вод, показывают, что только немногие скважины вскрывают пещеры вследствие извилистости их ходов (рис. 8.13). Тем не менее крупные пещеры, несомненно, существуют ниже свободной поверхности подземных вод, что подтверждается данными по немногочисленным разведочным скважинам, а также сведениями, полученными при изысканиях участков под основания плотин и наблюдениях за очень крупными источниками. У некоторых таких источников дебит превышает 1 м3/сек. Подобный дебит возможен только при наличии очень больших пустот. Самый большой источник в известняках, описанный в литературе, находится около города Рас-эль-Айн в Сирии на притоке реки Евфрат около турецкой границы. Дебит этого источника обычно изменяется от 35 до 40 м3/сек и в среднем составляет 38,7 м3/сек. Некоторые другие источники в этой же геологической провинции имеют дебиты более 1 м3/сек.
