Карстовые породы

8.                Известняки и доломиты, образующие толщи сравнительно малой мощности вследствие чередования их с обломочными породами: отдельные слои, различные по мощности и составу. Пример: силурийские известняки Эстонии и Ленинградской области, Девонские Главного девонского поля в Воронежской области, известняки карбона Московской синеклизы, третичные известняки Причерноморской впадины, Тарханкутского, Ставропольского поднятий и др.

9.                Известняки и доломиты рифовых массивов платформ. Характеристика их в общем сходна с отложениями 6-го типа. Пример: нижнепермские рифы Уфимского вала, верхнетретичные среднесарматские рифы юго-запада Русской платформы в Приднестровье.

10.           Писчий мел, образует пласты мощностью до 100 м, развит на сравнительно больших площадях. Пример: Воронежская и Белорусская антеклиза, западный склон Украинского щита и др.

Гипсы и ангидриты

4.                Пласты и пластообразные залежи осадочного плаща платформ. Пример: третичные гипсы Подольско-Литовской, девонские Балтийской, пермские Московской и Глазовской синеклиз и др.

5.                Гипсовые шляпы соляных куполов синеклиз и других отрицательных структур платформ. Пример: Прикаспийская, Украинская и др. синеклизы.

Каменная и другие соли

4.                Пласты и пластообразные залежи в покровных отложениях платформ, главным образом в синеклизах и других отрицательных структурах. Пример: залежи соли Прикаспийской, Московской и др. синеклиз.

5.                Соляные куполы покрова платформ, развитые главным образом в синеклизах. Пример: Прикаспийская, Украинская, Вилюйская синеклизы, Убсанурская впадина.

IV. Современные поверхностные образования континентов

В эту группу выделяют современные поверхностные карстующиеся породы, образовавшиеся в четвертичный период и не всегда прошедшие полностью стадию диагенеза. Как правило, имеют небольшую площадь распространения и весьма малую мощность.

Карбонатные отложения

11.           Известковые туфы холодных источников. Образуют довольно рыхлые пористые известняки. Площадь их невелика. Максимум десятки квадратных метров. Развиты довольно широко. Пример: Пермская область.

12.           Карбонатные травертины термальных источников. Значительно менее распространены. Обычно развиты на большей площади. Пример: травертины района Кавказских минеральных вод, которые местами закарстованы.

13.           Современные континентальные карбонатные образования – береговые известняки Австралии.

Гипсы

6. Отложения гипсовых озёр засушливой зоны.

Каменная соль

6. Отложения соляных озёр засушливой зоны.

Природная сода

1.                Отложения содовых озёр засушливой зоны.

V. Современная морская обстановка

14. Карбонатные образования современных морей и океанов в виде коралловых рифов.

2.2 Водопроницаемость карстующихся пород

Водонепроницаемые горные породы карстуются только с поверхности. Но большая часть горных пород, попав в зону выветривания, становится трещиноватой. По трещинам в массив проникают воды и атмосферный воздух, которые взаимодействуют с растворимыми породами, вызывая ряд химических и минералогических процессов. Трещины возникают на всех этапах жизни карстующейся осадочной толщи. Начиная с превращения осадка в породу при процессах диагенеза, при складкообразовании, выветривании.

Литогенетические (первичные) трещины – возникают преимущественно при диагенезе. Наиболее важные физические изменения – потеря воды и уплотнение отложений путём уменьшения их влажности и пористости. Эти процессы растянуты по времени и распространяются на глубину 150–200 м. На большей глубине осадки полностью переходят в плотные осадочные породы, которые в дальнейшем крайне медленно отдают воду и уплотняются. Распространение таких трещин наиболее чётко выражено в областях с горизонтальным или слабонарушенным залеганием пород. Там, где породы смяты в складки и испытали интенсивные тектонические движения, первичные трещины в осадочных породах бывают часто замаскированы более поздней тектонической трещиннноватостью. Первичные трещины не пересекают мощных толщ пород, а тесно связаны с отдельными пластами или небольшими пачками пластов. Обычно трещины заканчиваются на границах отдельных пластов, образующих слоистость. По отношению к слоистости трещины располагаются перпендикулярно. Косо, параллельно, имеют неправильную сложную форму. Положение их зависит от литологического состава пород. Замечено, что перпендикулярные слоистости трещины характерны для известняков и доломитов, разбивают эти породы на параллелепипедные отдельности. В различных участках одного и того же пласта присутствуют трещины разных простираний. Относительно правильные отдельности приурочены к породам однородного состава. Степень заполнения трещин зависит в первую очередь от циркуляции водных растворов. Частота трещин зависит от мощности и состава пород. В гипсах, ангидритах, каменной соли они менее развиты. При залегании на некоторой глубине от земной поверхности эти породы не карстуются и даже являются водоупором. Когда движения земной коры выводят их на дневную поверхность, карст начинает интенсивно развиваться.

Тектонические трещины образуются под влиянием тектонических сил, проявляющихся в земной коре в процессе её развития. Возникающие при этом в горных породах деформации почти всегда сопровождаются трещинами, образующимися на различных площадях. Трещины обладают выдержанностью (как по простиранию, так и по падению) и развиваются по одному плану в породах различного состава. Они делятся на трещины с разрывом сплошности пород и кливаж. Первые возникают при появлении в породах нормальных и касательных напряжений, превышающих пределы прочности. При нормальных напряжениях перпендикулярно главной оси растяжения происходит отрыв пород и образуются трещины отрыва. В направлении максимальных касательных напряжений развиваются трещины скалывания. Они широко распространены на участках, нарушенных взбросами и сдвигами, которые происходят в условиях сжатия земной коры или при перемещениях одного её участка относительно другого под действием пары сил. Однако раньше. Чем напряжения, вызываемые сжатием или сдвигом, сконцентрируются на одной поверхности разрыва и вызовут перемещение вдоль неё, в горных породах произойдёт образование трещин скалывания. Эти трещины составляют обычно два ряда, образующие с осью сжатия угол несколько меньше 45°. В отличие от трещин скалывания, кливаж не нарушает сплошности пород. Кливаж – способность горных пород делиться по параллельным или почти параллельным поверхностям на тонкие пластинки. Это свойство в механическом смысле выражается в образовании поверхности скольжения или срезывания, по которым частицы в процессе пластической деформации смещаются по отношению друг к другу.

Трещины в зоне выветривания многообразны. Выветривание расширяет первичные, тектонические и д.р. трещины, развитые в верхней части земной коры. При выветривании породы теряют свою монолитность. В них появляется сеть трещин. Вызывающая распадение крупных блоков на отдельные обломки. Распадение пород при выветривании происходит главным образом за счёт раскрытия и расширения ранее существовавших в них трещин и образования новых – трещин выветривания. Основные причины этого: разрывное действие замерзающей воды; изменение температуры в течение суток (инсоляция); разрывное действие солей и минералов, выкристаллизовывающихся в порах породы; разрывное действие корней растений; биохимические реакции и химические процессы, связанные с разложением неустойчивых минералов в зоне выветривания и образованием устойчивых минералов. Частота и характер трещин выветривания зависят от состава, текстуры и структуры пород, от строения и ориентировки поверхности обнажения, также действующими агентами выветривания, их интенсивностью. Степень разрушения пород выветриванием с глубиной уменьшается. Обычно трещины распространены на глубину до 10–15 м, а иногда в карбонатных породах они достигают глубины 30–50 м. Замечено, что на южных склонах сеть трещин выветривания значительно гуще, чем на северных., что объясняется большим различием между расширением и сжатием пород, вызванных суточными колебаниями пород на южных склонах. При прочих равных условиях, в вертикальных обнажениях породы всегда менее выветрелые, чем в горизонтальных. Трещины могут быть заполнены продуктами выветривания, гипсом, глиной. Часто на стенках присутствуют корочки гидроокислов железа.

Трещины отслаивания – следствие разгрузки внутреннего напряжения пород, вызываемой эрозией и другими факторами денудации. Развиваются параллельно обнажённой поверхности, становятся менее ясными с глубиной. В осадочных породах на ориентировку трещин оказывает влияние слоистость.

Трещины бортового отпора (отседания, откоса) – развиты в бортах долин. Рек, оврагов, врезанных в различные скальные, полускальные породы. Бывают наклонены под углом 30–50° в сторону долины, в глубину распространяются до уровня реки. Простирание совпадает с современными либо древними долинами. Обычно бывают открытыми: захватывая наибольшую часть массива пород у земной поверхности, выходят на поверхность склона. Величина их раскрытия зависит от упругих свойств пород, высоты и крутизны склона. Общая конфигурация трещин параболическая, но часто нарушена анизотропностью пород относительно сопротивления разрыву, слоистостью – поэтому они нередко ступенчатые. Происхождение их связывают с нарушением эрозией равновесия в распределении силы тяжести пород, слагающих склоны, путём уничтожения бокового сопротивления. Такие трещины благоприятны для развития карста.

Трещины карстовых провалов образуются над карстовыми подземными полостями и пещерами. Пример: в Кунгурско-Иренском карстовом районе в начальной стадии наблюдается система трещин, образующих замкнутый полигон. Число сторон многоугольника не менее 6, до 249 приближен к кругу). Эти системы образуются на горизонтальных или наклонных поверхностях с крутизной не более 45-50°. Длина сторон не более 1–1,5 м. Ширина трещин до 3–5 см, глубина до 1 см. В начальной стадии очерчены слабо, в дальнейшем выделяются и по ним происходит смещение 9 амплитуда обычно 1–2 см). Затем идёт катастрофическая стадия – окончательный отрыв и провал участка с образованием воронки.

Трещины гидратации ангидрита образуются в перекрывающих их породах. Если это карбонатные породы, в результате проникновения воды карстуется весь массив.

Антропогенные – трещины оседания кровли над подземными выработками. От взрывов и др. Возникающие при провалах трещины лишены признаков минерализации, имеют свежий вид. По простиранию и падению невыдержанны.

В зоне выветривания существует и противоположный процесс – заполнение трещин. Поступающие с поверхности воды вносят в трещины глинистые и другие частицы. Которые могут заполнить расселины. В известняках в трещинах образуется кальцит, в гипсах – гипс (селенит). Это приостанавливает карстовый процесс.

Поры и каверны карстующихся горных пород также могут быть путями передвижения вод. Пористые доломиты карстуются своеобразно – до доломитовой муки и песка. [3.]

Одной из загадок подземного мира является «холодное кипение», или процесс кавитации (от латинского «cavitas» – пустота). Вода при обычном давлении (1 атм.) кипит при 100ºС. Но если понизить давление до 0,006–0,043 атм., то кипение возможно в диапазоне температур 0–30 °С. На поверхности обтекаемых движущейся водой или движущихся в ней предметов образуются каверны – пузырьки, наполненные парами воды. Образуясь в зоне пониженного давления и исчезая (конденсируясь, растворяясь) там, где давление выше, пузырьки меняют характер течения. Вызывая большие потери энергии, шум и кавитационную эрозию обтекаемых поверхностей. Особенно агрессивны пузырьки в момент исчезновения («схлопывания»), которое происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырёк. С огромной скоростью устремляются в освободившееся пространство. Ударяясь друг о друга. На этих участках давление повышается до 100 тысяч атм. Исчезновение пузырьков напоминает взрыв микроскопической мины. Если обтекаемые поверхности могут растворяться, то возникает кавитационная коррозия: парциальное давление СО2 в пузырьках воздуха, растворённых в воде, выше, чем в атмосфере.

Кавитация наблюдается на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, турбин, насосов, в водоводных тоннелях электростанций. Опыты показали, что для её возникновения нужны скорости потока более 6 м/с. В пещерах отмечены местные скорости до 10 м/с. Так возникает самовозбуждающийся процесс: сперва начинается кавитационная коррозия. Затем зарождаются микровпадины и гребешки, усиливающие её. Возможна кавитация и при падении капель воды. Фотосъёмка со скоростью 1000 кадров в секунду показала, что в момент «приземления» капля сначала сплющивается, а затем растекается со скоростью, достаточной для возникновения кавитации. Кавитация может возникать и при отсутствии движения. Если в жидкости, омывающей неподвижные поверхности, вследствие сейсмических или иных причин возникают ультразвуковые волны, то во впадинах формируются пузырьки газа, исчезающие на гребнях. Сильная кавитация отмечена также в морских пещерах, находящихся в зоне прибоя, а также – во фреатических полостях при движении воды через каналы, разделённые перемычками. [1.]

Трещинноватость, сочетающаяся с пористостью, также возможна. Например, писчий мел, где есть и пористость до 40–45%, обладает ничтожной водопроницаемостью по порам. При отсутствии трещин мел – это водоупор; при появлении их становится водоносным и карстуется. Т.е карст развивается, прежде всего, по трещинам, а поры играют роль резервуара, из которого подземные воды поступают в трещины.

2.3 Движение вод в карстовых массивах

Наличие движущейся воды – третье обязательное условие существования карста. В результате движения карстовых вод возникает водообмен. Интенсивность его характеризуется коэффициентом водообмена, представляющим отношение годового расхода всех карстовых источников и вод, разгружающихся непосредственно в реки, озёра или моря (а также другие водоносные горизонты) к общему объёму подземных вод карстующегося массива или его части. Численная величина коэффициента водообмена зависит от водопроницаемости пород, условий дренажа и питания карстовых вод, климатических условий и других факторов. Наиболее интенсивный водообмен имеет место при расчленённом рельефе. В карстовых районах, при наличии долин магистральных транзитных рек или на берегах морей, возможны следующие гидродинамические зоны:

В зоне поверхностной циркуляции вода стекает по поверхности карстового массива, образуя конусообразные расширения поноров и коррозионно-эрозионные воронки, расширяя устья карстовых шахт (превращая их в пропасти). В карстовых воронках, где понор заилен, стекающие по поверхности воды образуют постоянные или временные озёра, питающиеся атмосферными осадками и талыми водами.

Зона вертикальной нисходящей (периодической) циркуляции, или зона аэрации. Здесь периодически после выпадения осадков или таяния снега происходит движение воды вниз по вертикальным трещинам и пустотам. Мощность зоны определяется толщей карстующихся пород, рельефом и климатом. На слабо расчленённых возвышенных участках с равнинным рельефом она составляет 30–100 м и более, а в горных районах достигает 1–2 км. Выделяют подзону подвешенных карстовых вод – на участках развития местных водоупоров (часто прослои кремнистых известняков). Этим обусловлено наличие источников, вытекающих на склонах значительно выше уровня воды транзитных рек или дна карстовых котловин и польев. Воды подвешенного горизонта могут низвергаться в долины из канала, находящегося на высоте десятки метров; при менее расчленённом рельефе встречаются карстовые потоки, текущие на разных уровнях.

Зона колебания уровня карстовых вод (переходная) с чередованием вертикальной и горизонтальной циркуляции за счёт сезонных колебаний уровня карстовых вод. При подъёме уровня здесь, как и в нижележащей зоне, с которой она сливается, наблюдается горизонтальное движение в направлении дрены. При спаде она включается в вышележащую зону вертикальной циркуляции. Амплитуда колебаний уровня карстовых вод и мощность зоны различна, от первых метров до 100–109 м. Мощность в в 2–3 м указывает на сильную закарстованность известняков. Амплитуда годовых колебаний уровня карстовых вод достигает 20–25 м и даже 30–40 м. Мощность зоны зависит от климатических условий, количества осадков, рельефа. Она уменьшается по мере увеличения закарстованности и роста объёма подземных карстовых пустот. Нижняя граница и мощность переходной зоны изменяются по многолетним периодам. Ниже переходной границы находится ряд зон полного насыщения пустот карстовыми водами.

В зоне горизонтальной циркуляции происходит свободный сток безнапорных вод к магистральным речным артериям или к окраине карстующегося массива.

Зона сифонной циркуляции с каналами в виде перевёрнутого сифона характеризуется напорными водами, которые движутся от водораздельных пространств в подрусловые каналы магистральных рек. В условиях русского и среднеевропейского типов карста воды несут из понор, карстовых воронок и каналов обломочный материал, который заполняет подрусловые пустоты, а из трещин путём растворения пород образуются новые полости. В горных районах при отсутствии магистральных речных долин воды каналов сифонной циркуляции разгружаются на окраине карстующегося массива в виде наземных, а у морей – частично и подводных источников.

В продольном профиле магистральной речной артерии подрусловые пустоты образуют зону подрусловой циркуляции, составляющую одну из важных особенностей циркуляции подземных вод в карстовых районах. Если карстующаяся толща большой мощности распространена значительно ниже дренирующей район транзитной речной артерии, при несколько замедленной глубинной эрозии и преобладании боковой, то по обоим берегам реки наблюдаются только долины временных потоков (овраги, балки, лога), дно которых усеяно карстовыми воронками с понорами, в которые стекают талые и дождевые воды. Вода, которая стекла в поноры или профильтровалась в них, не даёт источников по берегу реки. Источники во многих случаях появляются только тогда, когда местность испытывает поднятие, и глубинная эрозия вскрывает расширенные карстовыми водами трещины и карстовые пустоты, или за счёт наличия рассмотренных ранее местных водоупоров. В результате разбуривания речных долин при проектировании плотин и железнодорожных мостов, а также для водоснабжения, было установлено, что многие реки в областях гипсового и известнякового карста обладают подрусловыми пустотами, часто с карстовым потоком. В речной долине, в русле и под ним могут иметь место комбинации «этажей» стока. В районах, где карстующиеся породы развиты значительно ниже уровня реки, могут быть три основных пути карстовых вод в поперечной зоне сифонной циркуляции: в русловой аллювий; в подрусловые подстилающие пустоты; в подрусловые пустоты, находящиеся на глубине 20–30 м и более под рекой.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5