Карстовые и суффозионные процессы

Карст - это и форма и процесс.

Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс).

Причины возникновения карста:

Наличие трещиноватости в растворимых горных породах.

Движение воды и ее минерализация. Наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту.

Количество осадков.

Климат.

По химическому составу пород различают: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин).

Наиболее растворимы соли, затем гипсы , труднее растворяются известняки.

На интенсивность процесса влияет низкая минерализация, повышенная температура и скорость движения воды, крупность зерен в породе и ее трещиноватость.

Различают карст наземный и подземный.

Наземные формы карста:

Карры – мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород.

Воронки – углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные).Наиболее распространенные поверхностные формы карста. Воронки бывают весьма разнообразны: от пологих и мелких до крутосклонных (рис 37). Диаметр воронок редко превышает 50 м., а глубина – 15–20 м.

Блюдца и западины представляют собой мелкие карстовые воронки с пологими бортами.

Поноры – узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива. Поноры возникают на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии карста.

Колодцы и шахты – вертикальные или наклонные карстовые формы, уходящие в глубину на десятки и сотни метров. Они образуются при дальнейшем развитии поноров. Известны шахты глубиной до 1100 м.

 

Рис 37 Карстовая воронка, Пермский край (фото с сайта http://perm-kray.ru

Слепые долины рек заканчиваются не впадением в другой водоем, а карстовыми воронками и понорами, в которых вода уходит под землю. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже поноры, называемый суходолом.

Башенный карст – одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вынесена, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии.

Подземные формы карста

Пещеры – естественные подземные полости. Большие помещения называются залами, поменьше – гротами. Ходы, заполненные водой – сифонами.

В сильно закарстованных районах наблюдается несколько этажей пещер.

Важное значение имеет степень активности карстового процесса. Различают действующий карст, который развивается в современных условиях и пассивный или древний карст, у которого формы заполнены делювиально-пролювиальным материалом, задернованы. При изменении базиса коррозии (обычно уровень ближайшей реки) и других причин пассивный карст может перейти в действующий. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (рис. 38).

Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод, старая пещера становится осушенной, а новая формируется ниже.

 

Рис. 38 Зоны карстового массива в известняках

I – зона развития карста; II – зона цементации; УГВ – уровень грунтовых вод

Пещеры могут формироваться в любых карстующихся породах, однако наиболее характерны для областей развития мощных карбонатных толщ.

Самая протяженная солянаяпещера находится в Иране. Её протяженность составляет 6,5 км. Она состоит из пещер «Трое обнаженных» и «Погружение», которые по результатам топографической съёмки 2005 г. оказались соединяющимися в единую систему.

Самой глубокойпещерой в мире является пещера Воронья (Крубера) в Абхазии. На настоящий момент её установленная глубина превышает 2040 м.

Кунгурская пещера – длина 4,6 км.

Наиболее крупной пещерой является Мамонтовапещерав Северной Америке – длина всех проходов и галерей 240 км(несколько озер, река и т.д.).

Просачивающаяся по трещинам вода сильно минерализована. При её попадании в большие пространства и соприкосновении с воздухом она либо теряет часть растворенной углекислоты и высаживает карбонат при карстовании известняков, либо испаряется и высаживает гипсы при развитии карста по сульфатам. При минусовых температурах натечные образования слагаются льдом. В разрезе все натечные образования (например, сталактиты) зональны, что позволяет читать историю их образования. Так, значительное осушение пещеры и временное прекращение или сильное замедление роста будет отражаться в виде более плотных и шероховатых корочек.

В зависимости от своего положения в пещере и формы, натечные образования подразделяются:

Сталактиты – выросшие на своде пещеры из просачивающейся воды. Иногда можно наблюдать ряды сталактитов, маркирующие трещину в потолке.

Сталагмиты – выросшие на полу из капающей сверху воды. Так как упавшая капля воды растекается по сталактиту, они обычно более короткие и широкие по сравнению со сталактитами. Обычно растут непосредственно под сталактитами (рис39).

Сталагматы – вертикальные колонны. Образуются из доросших до пола сталактитов или из соединившихся и сросшихся сталактита и сталагмита.

 

Рис. 39 Сталактиты и сталагмиты (© B. Merkel,2003 www.geo.tu-freiberg.de/hydro/impressions.html)

Анемолит – сталактит или сталагмит, отклоненный от вертикального положения односторонним испарением вод, вызванным циркуляцией воздуха в пещере.

Гуры – наплывы на полу пещеры, похожие на оплывший стеарин.

Завесыобразуются при равномерном просачивании воды через трещину в потолке, благодаря чему имеют практически постоянную толщину.

Недоучет карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к серьезным последствиям: 1) просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; 2) деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; 3) значительной утечке воды из водохранилищ; 4) поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости.

При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород и на прекращение развития карстовых форм.

Строительство на целиках, свайные фундаменты.

Повышение устойчивости и прочности пород – предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора).

Прекращение развития карстовых форм – гидроизоляция поверхностижирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков (ливнеотводы).

При проектировании предусматриваются комплексные инженерно-геологические изыскания согласно СП 11.105.97 ч.II, включающие геофизические методы (электроразведка), позволяющие определить формы подземного карста.

Карстовые районы по степени устойчивости согласно СНиП делятся на 5 категорий:

– весьма неустойчивые (в год образуется 5–10 воронок на 1 квадратный км). Может достигать 100 и более (300–350), например с. Бабки (Чусовая – Кама);

– неустойчивые – 1–5 воронок;

– средней устойчивости – 1 воронка за 1 – 20 лет;

– устойчивые – 1 воронка за 20–30 лет;

– весьма устойчивые – свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет.

Суффозия – вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами. Это явление часто приводит к образованию суффозионных воронок.

Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и появление критического гидростатического напора более 5.

Меры: уменьшение скорости и градиента потока, дренаж, отвод вод.

В городских условиях может провоцироваться хозяйственной деятельностью человека; например, протечками из труб, изменением направления грунтовых вод из-за строительства, подземными коммуникациями.

Выводы:

Геологическая опасность карста и суффозии – образование различных по положению и форме пустот и провалов.

Процессу карстообразования подвержены осадочные породы: известняки и доломиты, гипс, каменная соль.

Суффозии подвержены обломочные грунты неоднородного состава.

Понижение базиса эрозии приводит к активизации процессов.

Инженерно-геологические исследования производится в соответствии СП11.105.97 ч.II.

При строительстве основой всех мероприятий, направленных на прекращение развития карста и суффозии является прекращение фильтрации воды.

Применять свайные фундаменты, специальные конструктивные решения и строительство на целиках.

Проводить мониторинг.