Подземные воды, движущиеся в порах и пустотах горных пород, в определенных условиях могут размывать и растворять породы. Часто размывание и растворение происходит одновременно. Однако в зависимости от химического состава пород и воды, условий движения воды и других факторов явления размывания и растворения происходят с различной степенью интенсивности.
Размывание выражается в том, что движущаяся вода захватывает мелкие частицы породы и уносит их с собой. В скальных породах движущаяся вода оказывает размывающее действие на стенки трещин и пустот. Наличие в воде взвешенных мельчайших минеральных частиц усиливает действие размыва. Однако в основном размывающее действие подземных вод относится к нескальным породам.
Вследствие выноса более мелких фракций пористость породы и размеры увеличиваются. Чем больше размеры пор, тем больше размеры фракций, которые могут быть через них вынесены водой. Когда пористость станет чрезмерно большой и размеры пор превысят размеры основной массы частицы, начнут происходить изменения и сложения породы. Размыв горной породы сопровождается ее растворением. Строго говоря, в воде растворяются все горные породы. Однако растворение таких пород, как гранит, базальт и подобных им, идет чрезвычайно медленно и требует громадных количеств воды.
Процесс растворения горных пород зависит от степени минерализации воды. Порода, поддающаяся растворению в дистиллированной воде, становится практически нерастворимой в обычной речной воде, поэтому магматические породы, в состав которых входят соли угольной и соляной кислоты (например, кальцит, каменная соль), сравнительно легко растворяются водой; содержащие соли серной кислоты (ангидрит, гипс) растворяются водой значительно медленнее.
В результате совместного действия размывания и растворения горных пород в них могут образовываться очень большие пустоты – подземные пещеры. Известны большие пещеры в Крыму, Сибири, на Кавказе. Большую известность получила Кунгурская пещера в Пермской области. Самая большая из известных подземных пещер находится в США (Мамонтова пещера). Длина ее вместе со всеми разветвлениями составляет около 250 км.
В ней несколько этажей, встречаются отдельные залы высотой до 30 м. На дне этой пещеры протекает подземная река и есть несколько подземных озер.
Химическое растворение горных пород вызывает в земной коре и на ее поверхности совокупность физико-геологических явлений, называемую карстом. Термин «карст» происходит от названия одноименного плоскогория на полуострове Истрия, где эти явления были впервые широко обнаружены и изучены.
И. В. Попов пишет, что явление карста выражается в образовании крупных пустот в земной коре, в разрушении и изменении структуры и состояния горных пород, в создании особого характера циркуляции и режима подземных вод, образовании характерного рельефа местности и режима гидрографической сети.
Карстовые явления развиваются в областях залегания легкорастворимых пород, к которым относятся в первую очередь (в порядке их распространения) известняки, гипсы, доломиты, мергели и каменная соль.
Воды, проникающие в области, сложенные легкорастворимыми породами, в той или иной степени содержат в своем составе различные соли и кислоты.
Химическое воздействие протекающей воды с породой может усиливаться или ослабляться в зависимости от состава воды и породы. Так, например, наличие в воде хлористого натрия резко повышает растворимость гипса, а вода, содержащая хлористый магний, практически не растворяет гипс. Вода, содержащая хлористый натрий до полного насыщения, образует так называемый маточный раствор и свободно протекает в пустотах залежей каменной соли, не оказывая на нее никакого растворяющего действия.
Подземные воды, насыщенные растворенными веществами растворимых пород, далее протекают, уже не оказывая растворяющего действия на окружающие породы. Попадая в области, сложенные нерастворимыми породами, подземные воды начинают терять часть растворенных веществ. Концентрация раствора постепенно снижается, а выпавшие соли образуют различные натечные формы. Если выпадение растворенных веществ происходит в открытых пространствах (например, в подземных пещерах), то образуются такие хорошо известные натечные формы, как сталактиты и сталагмиты.
Подземные воды, вытекая у подножия горных массивов (у склонов), образуют нисходящие «воклюзские» источники. Название «воклюзские» такие источники получили от местности Воклюз во Франции, где они впервые были обнаружены. В Советском Союзе большое количество воклюзских источников обнаружено на Южном берегу Крыма.
Процесс карстообразования может начинаться непосредственно с поверхности в областях питания подземных вод (открытый карст) или же возникать в сравнительно отдаленных подземных областях распространения вод (закрытый карст). Там, где легкорастворимые породы выходят непосредственно на земную поверхность, растворение пород проявляется наиболее резко. При выпадении атмосферной воды на поверхности растворимых пород образуются так называемые карры – желобки, борозды, щели и т. д. глубиной от нескольких сантиметров до 1–2 м. Рельеф поверхности, покрытый карами, называется карровым. При своем движении вода просачивается вниз по трещинам, постепенно расширяя их. С течением времени тонкие волосные трещины превращаются в широкие зияющие провалы.
Для карстового ландшафта характерны провальные воронки, естественные шахты, полья, увалы и долины. Эти формы постепенно переходят одна в другую, соответствуя стадиям карстообразования. Сначала образуются различные воронки сравнительно небольшого диаметра (от 1 до 50 м) и глубиной обычно не более 15–20 м. Воронки корытообразной формы называют польями; округлые, чашеобразные, диаметром до 200 м – долинами. Постепенно углубляясь, воронки переходят в увалы и естественные шахты – провальные углубления, глубина которых значительно больше их диаметра. На дне карстовых воронок часто наблюдаются отверстия – поноры, через которые поверхностные воды уходят вглубь.
Открытые формы карста постепенно сами себя уничтожают.
Растворяются все большие количества породы, стенки между воронками становятся все тоньше и постепенно обрушаются. На уровне грунтовых вод начинают скапливаться частицы нерастворимых минералов и с течением времени образуется широкая долина. Благодаря привносу органических веществ поверхность таких послекарстовых долин обычно покрывается плодородной почвой. Как один из примеров таких долин можно назвать Байдарскую долину в Крыму.
Передвигаясь по трещинам внутри растворимых пород, подземные воды промывают самые разнообразные каналы. Передвижение воды сверху вниз способствует образованию вертикальных трубчатых и коленчатых форм. На уровне карстовых грунтовых вод образуются подземные пещеры, состоящие из большого количества горизонтальных каналов различной формы и размера. Узкие трещиновидные каналы сменяются громадными гротами.
Для карстовых районах характерно наличие исчезающих рек. Попав в зону карста, река уходит по карстовым каналам под землю и протекает там в виде подземной реки или же разбивается на несколько меньших водных потоков. Впоследствии подземная река снова может выйти на поверхность.
Явление карста оказывает большое влияние на возможность осуществления и дальнейшего существования инженерных сооружений.
Б. М. Гуменский указывает, что карстующиеся породы очень часто сверху прикрыты водонепроницаемыми или слабо водопроницаемыми глинистыми отложениями. В этих условиях процесс карстообразования протекает весьма медленно или совсем не наблюдается. При вскрытии выемок для дорог или каналов защитный покров уничтожается и начинается интенсивный карстовый процесс. Если выемка предназначалась для канала, транспортируемая вода будет уходить на образование карстовых форм.
Интенсивность процесса карстообразования поддается анализу. И. В. Попов подчеркивает, что она зависит от химического состава растворителя и химического состава растворяемой породы. Особое значение имеет содержание в воде свободной углекислоты. Как известно, свободная углекислота может соединяться с карбонатами и создавать растворимые двууглекислые соединения вида (HCO3)2. Однако часть свободной углекислоты будет находиться в равновесии с полусвязанной углекислотой и не будет растворять кальцит. Такую углекислоту называют равновесной.
Другим показателем интенсивности карстообразования является количество и скорость протекающей воды, или, иначе, условия фильтрации.
Подземный сток направлен к водоемам, расположенным в наиболее низких точках рельефа. По большей части для карстующихся массивов такими водоемами служат реки. Подземный сток будет направлен нормально к оси долины. При этом подземный сток может захватывать зону ниже уровня эрозионного вреза. Уровень, выше которого возможно движение воды в карстующемся массиве, по предложению Ф. П. Саваренского, называют базисом карста.