Понятие о карстовых процессах

При растворении и выщелачивании поверхностными и подземными водами известняков, доломитов, мела, мергелей, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей на поверхности земли образуются воронки, провалы и другие формы рельефа, а в толще горных пород — разнообразные пустоты, каналы, пещеры. Все образовавшиеся таким путем поверхностные и подземные формы и называют карстом.

Возникает карст в результате развития геологического карстового (коррозионного) процесса (растворение, разрушение), который проявляется в образовании своеобразных форм рельефа и в целом карстового рельефа, в образовании пустот в карстующихся породах и в формировании определенного типа подземных вод — карстовых вод с характерными для них особенностями движения, режима и химизма.

Карст возникает в тех районах, где распространены практически растворимые в воде горные породы — карбонатные, сульфатные, каменная и калийная соли. В соответствии с этим различают карст карбонатный, сульфатный и соляной. В других породах карст образовываться не может. Поэтому, когда еще выделяют «глиняный карст» по сходству образующихся форм рельефа на глинистых породах с карстовыми, совершают ошибку так как не учитывают сущности карстового процесса и геологическую обстановку, при которой он получает развитие.

На активизацию или замедление карстовых процессов влияют многочисленные природные и техногенные факторы, удельная роль которых в разных комплексах пород, структурах, гидрогеологических условиях и климатических зонах различна. Наибольший интерес представляют те компоненты среды и действующие факторы, которые так активизируют карстовые процессы, что возникает опасность для сооружений и затрудняется использование территории. К ним относятся:

• 1. неоднородность литологического строения и состава карстующихся пород, наличие в них нерастворимых слоев и примесей, текстурные особенности;
• 2. трещиноватость массива пород (литогенетическая, тектоническая, экзогенная и иная), ее интенсивность и пространственное распространение;
• 3. тектонические структуры — складчатые и особенно разрывные, определяющие пути движения основных потоков подземных вод;
• 4. новейшая геологическая история районов, характер и интенсивность неотектонических движений, обусловливающих формирование рельефа и положение местных и региональных базисов дренирования подземных вод;
• 5. рельеф карстовых районов, наличие покрова четвертичных глинистых пород и растительности, влияющих на поверхностный сток и инфильтрацию атмосферных осадков;
• 6. климатогидрологические факторы, отражающиеся на гидрогеологической обстановке карстующихся массивов пород;
• 7. техногенные факторы, разнообразные по характеру влияния, интенсивности и последствиям, изменяющие уровни и режим подземных вод, их состав, агрессивность и водообмен.

Проблема изучения карста в инженерной геологии занимает ведущее положение. Закарстованность массива пород и карстовые процессы ранее нередко были прямым противопоказанием для возведения ответственных сооружений. По мере познания закономерностей карста, особенно его интенсивности, опасность стала оцениваться более объективно, и в настоящее время строительство в карстовых районах не противопоказано. Однако из этого следует, что карст перестал быть сложным и даже опасным геологическим процессом, которым можно пренебречь, детально не изучать; за подобное несерьезное отношение иногда приходилось расплачиваться, особенно в районах распространения легкорастворимых пород.

Карст возникает в результате действия поверхностных и подземных вод на практически растворимые горные породы. Однако он может и не возникнуть или протекать очень медленно, несмотря на соприкосновение вод с растворимыми или даже легкорастворимыми горными породами. Для того, чтобы коррозионный карстовый процесс получил развитие, Необходимо определенные причины нарушения химического равновесия между действующими водами и растворяющимися породами. Условия, при которых возникает нарушение такого химического равновесия и происходит реализация коррозионного процесса, и следует назвать причинами образования карста.

Этими условиями являются: наличие растворимых горных пород, их водопроницаемость, движущиеся воды и их растворяющая способность. Сочетание этих условий вызывает нарушение химического равновесия в системе растворимые горные породы — вода и неизбежность возникновения и развития коррозионного процесса и образования карста.

Гидродинамическая зональность каста прослеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловленная рельефом, литологическим разрезом массива пород и положением базиса дренирования карстовых вод. В общем случае в однородном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнинно-платформенных областей выделяются гидродинамические зоны. Вертикальные: I — аэрации; II — сезонных колебаний; III — полого водонасыщения с обособлением под зоны непосредственной разгрузки у дренирующего водотока; IV — глубокого обычно замедленного движения подземных вод. Горизонтальные: А — присклоновую; Б — придолинную и В — приводораздельную. Указанная схема гидродинамической зональности развития карста относится к постоянному уровню дренирования подземных вод; если он изменяется, например, при эрозионном врезе из-за тектонического поднятия карстующегося массива, то это влечет формирование новой зональности, обычно наложенной на предыдущую.

Интенсивность карстовых процессов неодинакова в разных зонах, что обусловлено различным водообменном в них и растворяющей способностью подземных вод, изменяющейся на путях движения. Наиболее энергично карстовые процессы происходят в зонах: сезонных колебаний уровня подземных вод, в которые периодически и глубоко в массив проникают маломинерализованные воды реки или водохранилища, где за время низких уровней накопились различные более растворимые продукты выветривания; присклоновой, в которой большие градиенты и скорости инфильтрации определяют интенсивный обмен ненасыщенных солями вод; непосредственной разгрузки под или вблизи дренирующего русла в том случае, если подземные воды на пути к нему не потеряли растворяющей способности. Наиболее полно гидродинамическая зональность проявляется в зрелую стадию развития карста.

Существенное усложнение в рассмотренную схему гидродинамической зональности карста вносят тектонические нарушения (разломы, крупные трещины и др.), которые могут быть как дренами, так и зонами разгрузки напорных вод. Сосредоточенный поток подземных вод к трещинам и разломам определяет вблизи них повышенную закарстованность. Сосредоточенный восходящий поток напорных вод по разному формирует вначале, при высоком положении рельефа, карстовую пустотность, а затем, вследствие эрозионного снижения поверхности земли и увеличения скоростей движения вод, начинается вынос песков из нижнего слоя, в конечном итоге приводящий к образованию мульда сдвижения.

Неотектонический режим отражается в развитии карстовых процессов, что позволяет судить об их возрасте, закономерностях и интенсивности на разные временные этапы. В первый этап, конец миоцена — начало плиоцена, в связи с поднятиями произошел глубокий врез и в палеозойский известняках бортов долины сформировались соответствующие зоны карста. Второй этап, плиоценовый, характеризуется погружением территории, заполнением древней долины аллювиальными и ингрессионными песчано-глинистыми отложениями, уменьшением водообмена и практически затуханием карстовых процессов при слабой боковой эрозии рек и смыва со склонов.

Влияние климата на развитие карста существенно и проявляется по нескольким направлениям. От количества и распределения атмосферных осадков наряду с рельефом и с особенностями геологического строения зависит интенсивность водообмена, а следовательно, и агрессивность инфильтрационных вод в верхних гидродинамических зонах, режим подземных вод и мощность зоны сезонного обводнения в карстующихся породах. Температурный режим поверхностных и подземных вод, деятельность бактерий также обусловлена климатическими условиями и влияют на развитие карстовых процессов. Таким образом, климатические факторы имеют зональный характер, оказывают наибольшее воздействие на карст в верхних частях массива, которое с глубиной ослабевает. Геоморфологический облик карстовых районов и интенсивность современных процессов существенно различны в нивальных, умеренных, аридных и тропических областях, и в этом проявляется роль климата. От мощных толщ известняков в тропических областях, например, во Вьетнаме, Средней Азии и т. д. сохранились обособленные останцы более прочных и труднорастворимых разностей известняков, чаще рифовые массивы, а слоистые пачки значительно денудированы. В районах многолетнемерзлые пород интенсивность карстовых процессов значительно снижены.