Особенности карста

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Влияние уклона поверхности рельефа на распространение карста (по Д.С.Соколову)

Влияние уклона поверхности рельефа является доминирующим фактором. На участках с малыми уклонами, где интенсивнее развивается инфильтрация дождевых и талых вод, в оврагах и на водоразделах, где небольшая мощность рыхлых отложений, карст распространен больше. В районах распространения сульфатных пород карст интенсивен и на склонах, что связано с большей растворимостью и пластичностью сульфатов.

Условия залегания пород, их трещиноватость и раздробленность. В породах, прикрытых, изолированных с поверхности более молодыми водонепроницаемыми породами, карст развивается слабо или вообще не образуется, и, наоборот, в породах, обнаженных или прикрытых рыхлыми водопроницаемыми породами малой мощности, - развивается легче. В горизонтально залегающих породах карст развивается по их простиранию, в крутонаклонных или поставленных на голову -- на глубину, а в моноклинально залегающих -- как по простиранию, так и по падению, такое залегание пород наиболее благоприятно для развития карста, его глубинных форм.

Трещиноватость и раздробленность пород создают большую скважность, облегчающую проникновение и движение подземных вод. Трещиноватость определяет направленность его развития и формирование закарстованных зон, слоев и горизонтов (раскрытие скрытых и закрытых трещин, разуплотнение пород в сторону свободного пространства и появление новых трещин разгрузки или упругого отпора). Тектонические трещины образуют взаимно пересекающиеся системы, которые определяют направление путей движения потоков воды, растворение и выщелачивание пород и пространственное распределение глубинных форм карста. Здесь формируются карстовые каналы, проходы, галереи, пещеры и другие формы; по литогенетическим трещинам - возникают закарстованные слои и горизонты.

Новейшие и современные тектонические движения поддерживают или усиливают контрастность (энергию) рельефа, большие градиенты и уклоны поверхности рельефа и уровня подземных вод, скорости их движения, что способствует интенсивности развития карста.

Инженерная деятельность, строительство подпорных гидротехнических сооружений, интенсивная откачка воды из недр Земли, сброс производственных агрессивных вод в толщи пород и другие действия создают условия, способствующие развитию карста.

При определении степени активности карстового процесса различают: активный, действующий карст, который развивается в современных условиях, и пассивный, или древний, развитие которого происходило в прошлом, циркуляция воды отсутствует, формы часто содержат делювиально-пролювиальный материал, задернованы, покрыты растительностью. При изменении базиса коррозии и других причин пассивный карст может перейти в активную стадию. При активном карсте степень закарстованности пород продолжает возрастать. Для растущих карстовых форм характерны четкие очертания, циркуляция воды, зияние трещин, отсутствие древесной растительности.

По степени устойчивости карстовые районы подразделяются на 5 категорий:

- весьма неустойчивые, образуются по 5-10 воронок в год на 1 км²;

- неустойчивые -- 1-5 воронок в год на 1 км²;

- средней устойчивости -- 1 воронка на 1 км² за время от года до 20 лет;

- устойчивые -- 1 воронка на 1 км² за 20-50 лет;

- весьма устойчивые, на которых отсутствуют или имеются лишь старые воронки; свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет.

Уменьшение закарстованности пород с глубиной связано с уменьшением скважности, водопроницаемости пород, градиентов напора, интенсивности водообмена, степени агрессивности вод и зависит от орографии (горные и равнинные районы), особенностей геологического разреза, условий залегания карстующихся пород и др.

Карст связан с дренирующим влиянием:

1) эрозионных врезов; в бортах речных долин наиболее благоприятными путями развития карста являются трещины разгрузки - упругого отпора;

удаленных эрозионных врезов или других очагов разгрузки подземных вод; здесь наиболее благоприятными путями развития карста являются наиболее слабые растворимые горизонты и слои пород благодаря их петрографическим особенностям и повышенной трещиноватости (литогенетические трещины);

зон тектонических нарушений при нисходящем и восходящем движении подземных вод.

Коррозионный процесс регулируется положением базиса коррозии - дренирующей зоны, в пределах которой дальнейшее растворение и выщелачивание пород практически прекращаются. Он может располагаться на уровне базиса эрозии либо гипсометрически ниже или выше его, являться местным по отношению к карстующемуся массиву или быть общим для всего карстового района и не везде ограничивает глубину распространения коррозионного процесса. В условиях напорных карстовых вод, при восходящем их движении в сторону дренирующего влияния зоны базиса коррозии, процесс может развиваться глубже базисов коррозии и эрозии. При установлении положения базиса коррозии необходимо знать гидродинамическую схему движения карстовых вод. В этом суть отличия базиса коррозии и базиса эрозии, ниже которого поток теряет свою живую силу и размыв прекращается. По отношению к базису коррозии в пределах карстующегося массива горных пород можно выделить определенные зоны, различающиеся по степени развития карста, условиям движения подземных вод и их режиму.

Гидродинамическая зональность карста прослеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловлена рельефом, литологическим разрезом пород и положением базиса дренирования карстовых вод.

В однородном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнинно-платформенных областей (при постоянном уровне дренирования) выделяются гидродинамические зоны: вертикальные (по Д. С. Соколову): I -аэрации, с большой закарстованностыо, идет нисходящее движение вод с большими скоростями; водный режим определяется количеством и годовым распределением осадков; II - сезонных колебаний; III - зона полного насыщения, с обособлением подзоны д непосредственной разгрузки у дренирующего водотока; IV - зона глубинной циркуляции, замедленного движения подземных вод в сторону очагов разгрузки, вне влияния местной гидрографической сети. Это зона малой закарстованности пород; горизонтальные (по А. Г. Лыкошину): А - присклоновая; Б - придолинная и В - приводораздельная.

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 более растворимые продукты выветривания; присклоновой, где большие градиенты и скорости инфильтрации; непосредственной разгрузки под или вблизи дренирующего русла. Наиболее полно гидродинамическая зональность проявляется в зрелую стадию развития карста.

Отмеченные закономерности иногда нарушаются. Усложнение в схему вносят тектонические нарушения (разломы, крупные трещины и др.), которые могут быть как дренами, так и зонами разгрузки напорных вод.

Оценка степени закарстованности горных пород

Степень закарстованности горных пород - скважность по Ф. П. Саваренскому (1934г.), образовавшаяся в результате развития карста и характеризующая современное состояние толщ пород - нарушенность их монолитности и устойчивости, увеличение водопроницаемости и условия обводненности. Закарстованность можно оценивать качественными (описательными) и количественными сравнительными методами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидродинамические зоны карста. Вертикальные (по Д.С. Соколову): I - аэрации с «висячими» водами (а); II - сезонных колебаний; III - полного водонасыщения с подзоной (д) - непосредственного дренирования водотока; IV - замедленного движения подземных вод с локальной разгрузкой по крупным трещинам и разрывам. Горизонтальные (по А.Г. Лыкошину): А - присклоновая, интенсивного водообмена; Б - придолинная; В - приводораздельная.

1 - Количественно закарстованность пород оценивается относительным объемом карстовых пустот и полостей в рассматриваемом объеме горных пород, т. е. показателем закарстованности пород (доли ед., или %) 3 = 100, где v - объем пустот в изучаемом объеме пород V.

2 - Показатель активности карстового процесса А (в процентах за тысячелетие) является сравнительной характеристикой скорости развития карста на разных участках в карстовых районах: A = (v/V) 100%, где v -- объем растворенной горной породы, выносимой подземными водами за 1000 лет; V -- объем карстующихся пород в пределах изучаемого участка. Для карбонатного карста Горного Крыма он равен 0,008%, для района Сочи - 0,49%, для бассейна р. Северный Донец - 0,27%, для гипсового карста Башкирии равен 1,67%.

Показатель активности карста А (по Н. В. Родионову, 1958 г.) характеризует интенсивность развития карстового процесса (в долях единицы или в процентах за тысячелетие), а показатель степени закарстованности (скважность) 3 -- пустотность пород в данный момент, возникшую в результате карстового процесса безотносительно времени образования.

3 - Скорость растворения подземными водами поверхности пласта, полостей и трещин в породах характеризует показатель В_х =, где В_х - мощность слоя карстующейся породы, выносимой подземными водами, см; у - плотность карстующихся пород (для карбонатных пород 2,7, для сульфатных - 2,3, для солей - 2,16 г/см³); С_н - С₀ - дефицит насыщения соответствующей солью подземных вод, омывающих поверхность растворимых горных пород; Т - период времени, для которого производится определение скорости растворения и выщелачивания породы; D - коэффициент диффузии, равный для карбонатных и сульфатных пород 5,510^-6, для солей - 110^-5 см²/сек; v - действительная скорость движения подземных вод; х - расстояние от растворяемой поверхности до точки определения дефицита насыщения подземных вод.

4 - Количество растворимой и выносимой подземными водами с какого-либо участка карстующейся породы вычисляют по балансовому уравнению:

q = ,

где q - количество растворимой породы, выносимой подземными водами с единицы площади участка в единицу времени, г; g_вⁿ - количество подземных вод, поступающих через границы участка в его пределы в ту же единицу времени, м³; g_в^а - количество воды, поступающее с поверхности в подземные воды в пределах участка, м³; С_н - среднее содержание соли соответствующей карстующейся породы в подземных водах после прохождения участка, г/м³; С_о - среднее содержание соли в подземных водах в момент поступления в пределы участка, г/м³; C - среднее содержание соли в водах, поступающих с поверхности в пределах участка в момент их поступления в толщу карстующихся пород, г/м³; F - площадь участка, м².

5 - Плотность распространения различных поверхностных карстовых форм рельефа на единице площади территории позволяет оценивать степень закарстованности территории и пород, ее слагающих:

Р = ,

где Р - показатель плотности распространения поверхностных карстовых форм на единице площади поверхности рельефа, например плотность распространения воронок на 1 км²; п -- число поверхностных карстовых форм, обнаруженных на изучаемой территории площадью F, км².

6 - И. А. Саваренский (1967 г.), разрабатывая принципы районирования карстовых территорий, рекомендует для количественной оценки их устойчивости определять: а) среднегодовое количество провалов, отнесенное к единице площади, и б) среднегодовую поражаемость территорий карстовыми провалами. Эти показатели рекомендуется дополнять графиками распределения провалов по их величине.

Среднее поражение территории карстовыми провалами (% /год) оценивают по формуле: B = , где f - сумма площадей провалов (м²), возникающих на площади F (км²) за промежуток времени t (годы).

7 - Среднюю повторяемость провалов T, показывающую, через какой промежуток времени на площади 1 км² появляется 1 провал, определяют по формуле: T = , где Р - среднегодовое количество провалов, F - площадь (км²), t - время (годы), п - количество провалов.

Оценка современного состояния закарстованности пород, плотность распространения провалов и средняя поражаемость территории за геологическое время, т. е. современное состояние территории, имеет практическое значение для районов развития карбонатного карста. Он развивается со скоростью, измеряемой геологическими отрезками времени, поэтому показатели Р и В следует вычислять безотносительно времени образования числа провалов п суммарной площадью S на рассматриваемой площади F.

В районах развития сульфатного и соляного карста необходимо знать степень закарстованности пород и условия и скорость развития карста, среднее количество провалов, их повторяемость и среднюю поражаемость ими территорий за промежуток времени t (лет), т. к. в гипсах, ангидритах и солях он развивается с большой и очень большой скоростью, соизмеримой по времени с человеческой историей, сроками строительства и эксплуатации сооружений.

В районах развития сульфатного и соляного карста в зависимости от повторяемости карстовых провалов выделяют категории территорий по степени устойчивости.

Проектирование и строительство в карстовых районах должны основываться на комплексных детальных инженерно-геологических исследованиях (СНиП 11.02-96), в результате которых должны получить характеристику и оценку:

- глубина залегания растворимых пород от поверхности земли, рельеф их поверхности, мощность, состав и свойства покрывающих отложений;

- мощность растворимых пород, степень закарстованности, пространственное расположение всех форм карста и их влияние на устойчивость территории;

- активная зона проектируемых сооружений, величина распространения ее в пределы закарстованных пород, несущие способности их и покровных отложений;

- водопроницаемость и водообильность закарстованных пород, глубина залегания уровня карстовых вод и их напор при проектировании сооружений глубокого заложения, подземных и гидротехнических;

- интенсивность развития карста, виды, формы и частота его проявления, причины и условия, способствующие его развитию;

- применяемые принципы и методы строительства на основании опыта строительства и эксплуатации сооружений в рассматриваемом районе.

В результате исследований производят инженерно-геологическое районирование территории (ИГРТ) и обоснование проекта планировки. ИГРТ должно иметь прикладной (специализированный) характер и дополнять региональное изучение территорий, подчеркивать важнейшие условия, которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве конкретных сооружений. При ИГРТ распространения карста для массовых видов строительства необходимо составлять схему расположения конкретных территорий, выделяемых по следующим признакам. 1. Территории устойчивые и относительно устойчивые, в пределах которых растворимые породы слабо закарстоваиы и среднегодовое число провалов на площади 1 км² не превышает 0,01, и такие, где слабозакарстованные породы залегают на глубине более 10 м и перекрыты плотными и устойчивыми породами. Сооружения массовой застройки строят без учета закарстованности, а плотность застройки определяют согласно СНиП П-К. 2--62.

2.Территории с несколько пониженной устойчивостью, где растворимые породы имеют повышенную закарстованность, среднегодовое число провалов на площади 1 км² достигает 0,01--0,05, повторяемость их больше, мощность покровных отложений мала или недостаточна по сравнению с мощностью активной зоны сооружений. Здесь рекомендуется ограничивать высотность зданий (до 5 этажей) и плотность застройки жилой территории до 20% (СНиП П-К. 2-62).

3.Территории недостаточно устойчивые, с повышенной закарстованностью пород, где среднегодовое число провалов и оседаний поверхности до 0,05--0,1 и они проявляются сравнительно часто, где мощность покровных отложений мала или недостаточна, чтобы уменьшить опасность устойчивости территории и сооружений. Допускается строительство сооружений высотой до 5 этажей при спецобосновании строительства, а плотность застройки жилой территории до 10%.

4. Территории неустойчивые, где растворимые породы имеют повышенную закарстованность, провалы и оседания поверхности наблюдаются часто. Строительство капитальных сооружений не допускается.

Инженерные мероприятия по обеспечению защиты сооружений и закарстованных территорий по содержанию и назначению подразделяются:

- для районов распространения карбонатного карста со слабой и не опасной современной активностью, обоснованием мероприятий являются данные о характере, степени и пространственной закарстованности массива пород;

- для районов активного современного карста в гипсах и солях, где вероятны и часты подземные обрушения и провалы на поверхности земли;

- для направленных на предотвращение или снижение скорости карстовых процессов, возникших под воздействием техногенных факторов.

Характер и объем противокарстовых мероприятий зависит от конкретных инженерно-геологических условий территории и различны для промышленно-городских зданий, авто- и железных дорог, гидротехнических, подземных сооружений и др. Применяются следующие защитные мероприятия:

- Организация стока и перехват поверхностных вод, (канавы, ливневоды, покрытийя, тампонирование карстовых воронок и рвов).

- Дренаж подземных вод иногда в сочетании с искусственным засолением для уменьшения растворяющей способности вод.

- Заполнение (тампонирование) карстовых полостей песком, мелким щебнем и цементным раствором с помощью засыпки и нагнетания, для поддержания свода пещеры и предотвращения его обрушения на участке расположения сооружения.

- Создание в кровле закарстованной толщи или в основании вышележащих пород искусственно закрепленного слоя соответствующей толщины и протяженности.

- Особые виды фундаментов и конструкций оснований сооружений, мало деформирующихся при возникновении провалов.

Методы борьбы с карстовыми процессами в соляных толщах: создание гидрозавес различных типов; искусственное насыщение подземных вод рассолами, делающими их неагрессивными.

Методика изучения карста в инженерно-геологических целях основывается на следующих положениях:

- Закономерности развития современной закарстованности различны в карбонатных, меловых, гипсовых и соляных толщах.

- Комплексные инженерно-геологические исследования должны установить региональные и локальные закономерности и факторы развития карста в приближенно-количественной и временной форме с целью разработки укрепительных и защитных мероприятий.

- Задачи, содержание, виды и объемы исследований зависят от особенностей геологического строения и гидрогеологических условий массива карстующихся пород, зональности и интенсивности карста и определяются назначением исследований: региональное изучение, промышленно-городское, транспортное, гидротехническое, подземное строительство (включая шахтное) и другое, а также стадией изысканий, определяющей детальность работ.

Основные методы изучения - специализированная геологическая и геоморфологическая съемка, геофизические работы, режимные гидрогеологические наблюдения на стационарных участках.

Наблюдения при проходке буровых скважин: за выходом керна, расходом промывочной жидкости, проскоками (провалами) бурового снаряда, внешним обликом керна, извлекаемого из скважин - позволяют судить о степени скважности (закарстованности) пород.

Комплекс геофизических методов разведки (электроразведка, гравиметрия, сейсморазведка, магниторазведка, ядерные методы, виды каротажа) - позволяет выделять в разрезе типы карстующихся пород, особенности погребенного рельефа, глубину их залегания, устанавливать местоположение и контуры карстовых зон и карстовых полостей; определять план дальнейших разведочных и опытных работ.

Гидрогеологические и гидрологические наблюдения и опытные фильтрационные работы: наблюдения за водопроявлениями в карстующихся породах, данные о дебитах и режиме источников. Мощные (2,4--8 м³/сек) источники указывают на большую закарстованность пород. Режим карстовых вод и дебит источников зависят от метеоусловий и быстро реагируют на их изменение. Характерной особенностью сильно закарстованных районов является интенсивное поглощение поверхностных вод закарстованными породами через поноры, колодцы, воронки, слепые долины и другие карстовые формы.

Специальные ОФР -- опытные откачки, если породы водоносны, нагнетания и наливы (воды или цементных растворов) в скважины и горные выработки, - основаны на определении их водопоглощения, водопроницаемости и водообильности, мерой которых служат удельное водопоглощение и коэффициент фильтрации. О степени закарстованности можно судить по количеству растворенной горной породы, выносимой подземными водами с какого-либо участка. Дополнительным критерием могут служить данные наблюдений за провалами и деформациями сооружений.

Зарисовка обнажений, стенок выработок и определение «свободного профиля» пород или коэффициента пустотности, производство специальных маркшейдерских съемок подземных пустот и пещер позволяют определять объем пустот в изучаемом объеме карстующихся пород и оценивать степень их закарстованности.

Размещено на Allbest.ru