Особенности карста - Особенности карста

Слово "карст" происходит от названия известнякового плато Карст в бывшей Югославии, примыкающего с юго-запада к Динарскому нагорью. Здесь карст связан с юрскими и меловыми известняками, выражен ярко в рельефе и на глубине и служит классическим примером.

Существует три основных направления изучения карста: географическое (спелиология); гидрогеологическое (изучение режима подземных вод); инженерно-геологическое (изучение влияния карста на строительство).

В инженерной геологии под карстом следует понимать геологические процессы химического взаимодействия растворимых горных пород и движущихся подземных и поверхностных вод, создающих характерные геологические явления в виде: подземных форм - каверн, полостей, каналов и др.; своеобразного рельефа - воронки, карры, замкнутые котловины, овраги, долины и др.; континентальных субтерральных накоплений (остаточные, хемогенные, водномеханические и др.) и формирующие карстовый тип подземных вод, с характерными особенностями движения, режима и химизма.

Карст возникает в тех районах, где распространены практически растворимые в воде горные породы - известняки, доломиты, мел, мергели, гипсы, ангидриты, каменная и калийная соли. В связи с этим различают карст карбонатный, сульфатный и соляной. В других породах он образовываться не может.

Карст вызывает большие осложнения при производстве строительных и горных работ, обусловливает притоки воды в подземные выработки и строительные котлованы или большие утечки воды под плотинами, в обход их примыканий или из водохранилищ. В карстовых районах многочисленны примеры деформаций и провалов сооружений. Защита от карста дорогостоящая. Все это составляет проблему особых условий строительства сооружений в карстовых районах и требует детального инженерно-геологического обоснования.

Распространение карста. Карстующиеся породы широко распространены в осадочном чехле земной коры во всех системах, начиная с кембрийской. По подсчетам Г. А. Максимовича, на всех континентах Земли карбонатные породы занимают площадь 40 млн. км2, гипсы около 7 млн. км2 и соли до 4 млн. км2; в СНГ обнаженные и погребенные карбонатные отложения составляют 40% территории и больше. Карст прослеживается до глубины 300 - 400 м, как на платформах, где чаще связан с погребенными речными долинами, так и в складчатых областях. Классическими районами развития карста являются: южный склон Балтийского щита, Польско-Литовская синеклиза, крылья Московской синеклизы, Волго-Уральский свод, Донбасс, альпийские складчатые области юга -- Кавказ, Крым, предкарпатский прогиб; развит в Казахстане и Средней Азии, в областях палеозойской складчатости -- Уральской, Алтая-Саянской и Тянь-Шаньской. В практике инженерно-геологических изысканий наиболее сложные и ответственные случаи встречались в районах развития гипсоносных и гипсокарбонатных отложений. В неогеновых отложениях в пределах Предкарпатского краевого прогиба развит соляной и сульфатный карст. В пределах Днепровско-Донецкой впадины кроме мергельно-меловых отложений верхнего мела закарстованы соляные купола, перекрытые породами от девонских до палеогеновых. В пределах главной гряды Горного Крыма карст в верхнеюрских известняках выражен в рельефе и в образовании пустот в породах на глубину до 1000 м и более. В предгорной полосе (вторая и третья гряды Крымских гор) и в степной части Крыма закарстованы карбонатные породы мелового и неогенового возраста.

Ф. П. Саваренский (1934) впервые сформулировал, а Д. С. Соколов (1962) раскрыл и обосновал основные условия развития карста:

- наличие растворимых пород -- карбонатных, сульфатных и галлоидных, доступных для проникания в них поверхностных и подземных вод; - водопроницаемость карстующихся пород -- трещинная, поровая и по разрывам; - движение подземных вод, интенсивность водообмена и вынос продуктов выщелачивания; - агрессивность, растворяющая способность поверхностных и подземных вод, обусловленная их химическим составом, температурой, присутствием газов (СО2, H2S и др.) и микроорганизмов.

Если исключить одно из перечисленных условий, причины возникновения коррозионного процесса не будет, или если он и возникнет, то быстро прекратится.

На активизацию или замедление карстовых процессов влияют многочисленные природные и техногенные факторы, роль которых в разных породах, структурах, гидрогеологических условиях и климатических зонах различна:

- неоднородность литологического строения и состава карстующихся пород, наличие в них нерастворимых слоев и примесей, текстурные особенности; - трещиноватость пород, ее интенсивность и пространственное распространение; - тектонические структуры - складчатые и разрывные, определяющие пути движения основных потоков подземных вод; - новейшая геологическая история района, характер и интенсивность неотектонических движений, обусловливающих формирование рельефа и положение местных и региональных базисов дренирования; - рельеф карстовых районов, наличие покрова четвертичных глинистых пород и растительности, влияющих на поверхностный сток и инфильтрацию осадков; - климатогидрологические факторы; - техногенные факторы, изменяющие уровни, режим, состав, агрессивность подземных вод и водообмен.

Причиной образования карста всегда является несоответствие минерального состава карстующихся пород геохимическим условиям окружающей подвижной водной среды. Скорость развития процесса в легкорастворимых породах (соляной карст) очень велика, в среднерастворимых (сульфатный) значительна, но соизмерима со сроками службы сооружений, и в труднорастворимых породах (карбонатный) мала, обычно исчисляется геологическими отрезками времени. В районах соляного и сульфатного карста необходимо оценивать степень закарстованности пород и скорость развития карста - активность карстового процесса. В районах развития карбонатного карста главное значение имеет оценка степени закарстованности пород.

Для анализа геохимических условий развития карста необходимо знать:

- состояние химического равновесия в системе подземные воды - карстующиеся породы, чтобы судить о возможности развития коррозионного процесса; - количество растворимой горной породы, выносимой подземными водами с единицы площади или объема карстующихся пород в единицу времени, чтобы судить о масштабе развития карстового процесса в районе; - скорость растворения карстующихся пород, что позволит выделять участки, опасные в смысле возможного развития карста.

На скорость развития карста, влияние оказывает скорость движения водных потоков -- интенсивность водообмена.

К факторам активизации карстования относятся: литология и мощность карстующихся пород, наличие водоносных горизонтов в перекрывающих и карстующихся породах, скорости подземных потоков, наличие эффективных давлений водоносных горизонтов в подошве перекрывающего водоупора, мощность перекрывающих пород, агрессивность подземных вод, проницаемость пород.

Для растворения одной части каменной соли (галита) достаточно трех, а для гипса - 480 частей воды. В зависимости от содержания в воде С02 И от температуры для растворения одной части минерала кальцита, из которого обычно слагаются известняки, требуется от 1000 до 30 000 частей воды. Аналогичным образом растворяются доломит и магнезит.

Причины различной растворимости минералов зависят от энергии кристаллических решеток и от крупности составляющих породу частиц. Чем больше энергия, тем труднее растворяется минерал; мелкие зерна при всех прочих равных условиях растворяются быстрее. Наиболее сильно растворяет породы слабо минерализованная вода и водные растворы, содержащие свободную углекислоту. Растворению способствует повышенная температура и движение воды. Зависимость растворимости кальцита от температуры:

Температура, °С 25 50 100

Растворимость, мг/л 14,33 15,04 17,79

В природных условиях (при скорости подземных вод 0.2см/с) интенсивность растворения ангидрита примерно в десять раз выше, чем для известняка, для гипса - в пятнадцать раз, для соли - в 2700 раз. Эти соотношения сохраняются при изменении скорости движения воды, однако для отдельно взятой породы, увеличение скорости движения воды в 2.5 раза увеличивает интенсивность растворения в 1.6 раза, а при увеличении в 10 раз - в 3.6 раза. В тоже время, скорости движения подземных потоков прямо связаны с их уклонами, величина которых резко увеличивается в зонах, примыкающих к овражно-балочной сети (в естественных условиях), водозаборам, карьерам и шахтам (в случае техногенной активизации). Увеличение уклонов и, соответственно, скоростей движения подземных вод в 2,5; 5; 10; 20 раз, увеличивает приведенные значения соответственно в 1,5; 2,25; 3,2; 4,5 раза.

Увеличение скоростей движения и, в связи с этим, интенсивности карстообразования, имеет значение для галоидных пород и гипсов. Для карбонатных пород главное значение имеют физико-механические свойства перекрывающих пород и наличие или отсутствие эффективного давления на кровлю перекрывающего водоупора.

На скорость и интенсивность развития карста влияют минерализация и состав поверхностных и подземных вод. Карбонаты в дистиллированной воде практически нерастворимы. В воде, содержащей свободную углекислоту, карбонаты начинают растворяться согласно уравнению

H20 + C02 + (Ca, Mg)C03 = (Ca, Mg)(HC03)2.

Растворение карбонатов в углекислых водах может происходить только тогда, когда нарушается карбонатное равновесие:

С02 Н2С03 (Ca, Mg)(HC03)2 (Ca, Mg)C03.

Каждому определенному содержанию в воде СО2 соответствует строго определенное содержание других компонентов уравнения. С возрастанием СО2 увеличивается содержание Н2С03, которая реагирует с твердой фазой карбонатов и переводит их в раствор в форме гидрокарбонатов. С уменьшением содержания С02 в растворе уменьшается содержание Н2С03 и растворимых гидрокарбонатов и часть карбонатного материала выпадает в осадок. Содержание свободной углекислоты, которое определяет содержание в воде Н2С03, находящейся в равновесии с твердым карбонатом, называется равновесной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в воде будет больше, чем необходимо для равновесия, то начнется растворение карбонатов. Эта часть избыточной свободной углекислоты называется агрессивной, она определяет карбонатную емкость большинства природных вод. Растворимость карбоната кальция в воде возрастает с увеличением содержания свободной углекислоты. Главное значение для общей карбонатной емкости воды имеет С02, содержащаяся в воде в данный момент, расходуемая на растворение СаС03.

Агрессивность поверхностных и подземных вод является одной из основных геохимических причин возникновения и развития карбонатного карста. Источником свободной углекислоты являются биохимические процессы на поверхности, в почвах и в приповерхностных толщах. На скорость развития карста, влияние оказывает скорость движения водных потоков -- интенсивность водообмена. карст геологический минерал

Определение состояния химического равновесия между подземными водами и карбонатными породами производится сравнением произведения активностей ионов кальция и карбонатов с произведением растворимости карбоната кальция и определением степени агрессивности подземных вод по отношению к карстующимся породам.

Определение степени агрессивности подземных вод по отношению к карбонатным породам основывается на том, что количество карбоната кальция, которое может перейти в водный раствор, должно быть не больше определенной величины; при дефиците насыщения этим соединением воды будут агрессивны по отношению к карстующимся карбонатным породам. Количество карбоната кальция, способного перейти в раствор, определяется из уравнения произведения растворимости карбоната кальция.

Состояние химического равновесия в условиях развития сульфатного карста оценивается так же, как и при карбонатном: если произведение активности ионов кальция и сульфатов меньше произведения растворимости сульфата кальция - равновесия нет и развитие коррозии неизбежно. В условиях соляного карста - при минерализации подземных вод ниже величины максимальной растворимости соли в данном водном растворе - равновесия нет и будет идти развитие процесса растворения.

При инженерно-геологической оценке территорий важно знать условия залегания закарстованных пород, т. е. тип карста - поверхностный, глубинный или смешанный.

Формы карста. По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли (районы молодых складчатых гор (Кавказ и др.), а при скрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на некоторой глубине (Русская равнина).

Наиболее часто встречаются формы карста: открытого -- карры, воронки, слепые балки и овраги, карстовые желоба, котловины, понижения (полья), зияющие отверстия (поноры), отверстия устьев естественных колодцев и шахт, ниши в обрывистых, крутых склонах, гроты и входы в пещеры, карстовые останцы; скрытого - каверны и пещеры. Специфика карстового рельефа заключается в преобладающей роли замкнутых отрицательных форм, образующихся при выносе с земной поверхности подземным путем через карстовые пустоты продуктов коррозии. Продукты растворения, выщелачивания и частично суффозионного выноса и размыва могут находиться в растворенном, взвешенном состояниях, в виде крупных обломков, образовавшихся при обрушении пород в подземных полостях.

Карры -- мелкие желоба, борозды и канавы на склонах рельефа местности, образующиеся вследствие избирательного растворения известняков, т. е. выщелачивания дождевыми и талыми водами, в связи наличием систем трещин, слоистости, имеющих крутое или вертикальное падение. Глубина карров от нескольких сантиметров до 1--2 м.

Воронки -- углубления различных форм и размеров. Диаметр от 3-4 до 40-50 м, глубина от 1-2 до десятков метров. По происхождению выделяют поверхностные и провальные. Поверхностные образуются в результате выщелачивания и размыва пород атмосферными и талыми водами в области открытого карста; форма обычно блюдцеобразная. Провальные возникают при обрушении кровли над подземными пустотами; значительные по размерам воронки именуют пропастями. При вмывании в трещины и пустоты карстующихся пород рыхлых покровных образований образуются воронки просасывания. Воронки располагаются по определенным линиям, соответствующим основному направлению трещин массива. Вытянутые серии воронок преобразуются в карстово-эрозионный овраг.

Полъя - результат объединения воронок или опускания больших участков поверхности в результате выщелачивания пород на глубине. По длине полья простираются на сотни метров и километров, глубина - до нескольких метров.

Глубинные формы образуют определенные зоны, горизонты или этажи. Самыми мелкими из них являются каверны, в результате растворения пород по многочисленным трещинам, образующие кавернозность пород, т. е. пустоты округлой или неправильной формы с поперечным сечением, измеряемым миллиметрами или сантиметрами.

При сочетании и пересечении трещин, тектонических и нетектонических нарушений образуются крупные полости -- пещеры разной формы и размеров, с натечными формами (сталактиты, сталагмиты), представляющие собой гроты, залы и др. Колебание базиса коррозии приводит к появлению пещер, располагающихся в несколько этажей. Наиболее крупная среди известных - Мамонтова пещера в Северной Америке. Общая длина ее галерей до 240 км. Высота залов до 40 м при размере в плане 163 х 87 м. Самой высокой в мире пещерой среди известных является Анакопийская пропасть в Новом Афоне (Кавказ). Один из ее залов имеет высоту более 70 м. В Среднем Приднестровье длина Главной (Кристальной) пещеры 18 785, Озерной -- 21 600, Энтузиастов -- 9750 м.

Увеличение степени водопроницаемости пород увеличивает интенсивность процесса растворения. Наилучшие условия создаются в породах при наличии трещин шириной не менее 1 мм, что обеспечивает свободную циркуляцию воды, которая постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Нижний предел развития процесса коррозии - базис коррозии, которым чаще бывает уровень ближайшего водоема, поверхность водоупорных пород. Ниже уровня подземных вод, если они достаточно минерализованы и движение замедленно, карстообразование не происходит. В этой части массива наблюдается цементация трещин за счет выпадения из водного раствора кальцита и (или) других веществ. В связи с этим в карстующемся массиве различают зону карстообразования и зону цементации.

Поднятие или опускание карстового массива, вследствие движений земной коры, вызывает изменение положения базиса коррозии. В результате тектонических поднятий наблюдается активизация карста и его развитие на глубину, при опускании, в депрессиях и впадинах - ослабление карстовых процессов.

Интенсивность карстообразования определяется мощностью слоя карстующихся пород: при малой мощности исключается возможность возникновения больших пустот. Глинистый материал препятствует циркуляции воды, заполняет трещины пород.

Климат. Наибольшее развитие карст получает в условиях влажного и избыточно влажного климата. Относительно большое количество осадков, в виде дождей, и малое испарение определяют повышенные значения поверхностного и подземного стока, большую интенсивность водообмена и циркуляции воды в приповерхностных горизонтах пород и развитие растворения и выщелачивания. Богатый растительный покров и интенсивные биогенные процессы, выветривание и др., генерирующие углекислоту, усиливают агрессивность вод относительно карбонатных пород.

В условиях сухого климата, при малом количестве осадков и большом испарении мала промытость пород в приповерхностных горизонтах, что не способствует развитию карста. Свидетельством являются большая засоленность почв и подпочвенных горизонтов, обнажения соленосных пород, содержащих слои, горизонты и залежи легкорастворимых солей.

В области распространения многолетней мерзлоты карстообразование в верхних горизонтах земной коры в целом ослаблено в связи с уменьшением скважности пород при заполнении льдом и замедленным движением подземных вод.

Рельеф поверхности земли. В горных районах денудационные процессы более интенсивны, здесь растворимые породы чаще выходят непосредственно на поверхность и быстрее вовлекаются в сферу действия коррозионного процесса. Горные породы значительно дислоцированы, трещиноваты и раздроблены, водообмен сильнее, скорости движения подземных вод выше, т. к. значительны превышения областей их питания над областями разгрузки, что облегчает проникновение коррозионного процесса на глубину.

На равнинах карстующиеся породы чаще прикрыты толщами рыхлых или других более молодых пород, поэтому поверхностные формы карста здесь не имеют большого разнообразия, хотя и возникают иногда неожиданно, катастрофически быстро в виде провалов и оседаний. Слаборасчлененный рельеф, кроме участков прилегающих к склонам речных долин, не благоприятствует развитию и проникновению карста на глубину. В горной местности большее значение имеют поверхностный и подземный сток.

Особенности карста - Особенности карста

Похожие статьи