Карстовые грунты. Карстовые процессы

Название плато Карст (Крас) в Словении дало имя целому комплексу процессов и типов рельефа. Чем же необычно это плато? Известняки, слагающие его территорию, значительно пострадали от разрушающего и растворяющего воздействия воды. В результате поверхность плато покрылась желобками и воронками.
Проникающая по трещинам вода постепенно их расширила, образовались пустоты, которые, соединяясь, сформировали гроты и .

Карст - комплекс форм рельефа, созданный в результате химического выветривания. Капли дождя, подземные и наземные воды являются прекрасными растворителями горных пород карбонатного состава - известняков, мраморов, доломитов, гипсов. Похожие формы рельефа образуются в мёрзлых или засоленных породах (их называют «псевдокарст»).

Если растворимые породы находятся только на поверхности, образуется так называемый голый карст - комплекс поверхностных форм рельефа, характеризующийся узкими протяжёнными ложбинами, бороздами - каррами, воронками, котловинами. Когда растворимые породы перекрыты сверху нерастворимыми или более устойчивыми к растворению слоями, то процесс растворения происходит под землёй. Это явление называют закрытым карстом.

Начинается с проникновения воды в трещину, постепенного растворения породы и образования подземной полости, а также небольших воронок над трещинами и полостями. В середине такой воронки есть отверстие - понор, через которое вода просачивается вниз. Разрастаясь, воронки сливаются, и возникают котловины. Рыхлые породы под полостями проседают и со временем обрушиваются. Теперь полости выглядят как провалы, которые, сливаясь, создают замкнутые бессточные котловины - полья. Обрамляют котловины останцы некогда сплошного карбонатного массива.

Карстовые явления широко распространены по всей планете. Встречаются они и в горах (например, в Доломитовых Альпах, горах Балканского полуострова, на Динарском нагорье), и на равнинах (например, на Великих Американских равнинах, на Русской и Туранской равнинах).
Наиболее эффектны формы карстового рельефа в жарких влажных тропиках. Тропический карст в Южном Китае, во Вьетнаме, Таиланде называют «башенным» - это останцовые горы в виде башен, столбов, пик, конусов, покрытые тропическим лесом. В тропических карстовых котловинах расположены живописные озёра и морские заливы.

Карст на острове Куба носит название моготе. Так по-испански называют крутостенные конические и куполообразные останцы известнякового массива. В основании моготе образуются ниши и небольшие гроты, где после тропических ливней скапливается вода. В Пуэрто-Рико карстовые останцы называют «пепино» - по-испански «огурец», что указывает на их коническую форму.

Интересный формируют карстовые процессы в прибрежных районах. Если берег моря, озера или широкой реки сложен известняками, доломитами или другими податливыми к химическому растворению породами, как, например, на , побережье Кипра и т.д., то на земной поверхности и склонах образуются полукруглые лунки, создающие причудливый кружевной узор. Ходить по такому участку непросто - острые края лунок могут поранить ноги, порвать лёгкую обувь. У уреза воды нередко возникают гроты, ниши, являющиеся входами в подводные пещеры. В этих местах карстовые процессы усиливаются действием прибоя.

Для развития карста благоприятно обилие осадков, в том числе и ливневых, а также влажный климат. Однако в последние столетия человек тоже вносит свою видимую лепту в развитие карста. Сейчас склоны Динарского нагорья - белёсые и каменистые, покрытые кустарником, переходящим у подножий в редкие леса. Еще в XV-XVI веках эти склоны были покрыты густыми лесами с пышной средиземноморской растительностью, но их частично вырубили для строительства флота, значительные лесные массивы пострадали от пожаров и были сведены выпасом скота. Так склоны оказались не защищенными от и дождей, что привело к активизации карстовых процессов.

Но самыми известными, впечатляющими и загадочными формами карстовых процессов являются пещеры.

Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:

Поиск по сайту.

Карст представляет собой совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных химическим растворением и выносом водорастворимых горных пород подземными водами, в результате чего образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в толще породы.

Опасность карста заключается в том, что этот широко распространенный скрытый процесс, препятствуя строительству и эксплуатации зданий и инженерных сооружений, а также рациональному использованию сельскохозяйственных земель, наносит значительный ущерб населению и хозяйству. Основные виды опасности карста включают: осадку и провалы земной поверхности; деформации сооружений вплоть до их разрушения; потеря воды из водохранилищ через воднорастворимые породы бортов и оснований водохранилищ, прорывы карстовых вод в горные выработки и тоннели, их затопление; загрязнение подземных вод;

На территории России карстующиеся породы различного литологического состава, залегающие как с поверхности, так и на различных глубинах распространены очень широко и занимают почти 50% ее территории. Районы развития карстового процесса имеются во всех федеральных округах. По наибольшей доле таких территорий от всей площади выделяются округа, расположенные в европейской части страны, а в азиатской части - Сибирский федеральный округ. Меньшую долю составляют в Уральском и Дальневосточном округах. Всего в стране опасному воздействию карста подвержено более ЗОО городов, среди которых такие крупные промышленные центры с населением свыше 1 млн человек как Москва, Нижний Новгород, Самара, Казань, Уфа. Пермь.

В Приволжском федеральном округе наибольшую интенсивность карстовые процессы имеют в центральной части округа и на западном склоне Среднего Урала. Предотвращение чрезвычайных ситуаций, связанных с карстом, базируется на оценке территории по степени опасности проявления карстового процесса, прогнозировании параметров развитая карста и разработке соответствующих противокарстовых мероприятий. Последние должны свести к минимуму опасность возможных карстовых проявлений, представляющих угрозу для населения и хозяйственных объектов, обеспечить их устойчивость при внезапной активации карстового процесса.

Факторы, определяющие развитие и формы проявления карстового процесса

Интенсивность развития и характер проявления карста зависят от растворимости вмещающих пород, растворяющей способности и расходов карстовых вод прочностных свойств карстующихся и перекрывающих их пород. Растворяющая способность карстовых вод определяется их минерализацией, химическим составом, температурой и давлением.

Помимо химического растворения горным пород играющего основную роль в развитии карста, этому явлению также способствует целый ряд других, тесно связанных с ним природных процессов. К ним относятся физическое выветривание, размыв и размокание пород, перераспределение горного давления, оседание и обрушение горных пород перенос водой и отложение растворимых веществ и обломочного материала, а также другие геологические процессы.

Техногенные воздействия в зоне карстующихся пород способны активизировать проявления карста в десятки раз. Наиболее опасными из них являются взрывы, статические и динамические нагрузки, утечки из водонесущих коммуникаций и другие техногенные воздействия.

В зависимости от особенности залегания растворимых горных пород, наличие или отсутствие водоупорных образований карст делится на открытый и закрытый. Открытый карст развивается в растворимых породах выходящих на поверхность земли и формирует борозды,карстовые воронки, колодцы. Закрытый(или подземный) карст развивается в растворимых породах на некоторой глубине,образуя вертикальные и наклонные карстовые ходы,колодцы,шахты и пещеры.

Характеристика карстующихся пород

Среди природных условий развития карста первостепенное значение имеет литологический состав карстyющихся пород. Выделяют следующие типыкарста: карбонатный, сульфатный и карбонатно -сульфатный, галоидный и сульфатно-галоидный.

Каждый тип имеет свои особенности развития и формы проявления.

Карбонатный карст. Этот тип объединяет такие геологические породы, как известняки, доломиты и мел.Их трещиноватость, водопроницаемость и закарстованность различны и неравномерны. Известняки и доломиты являются слаборастворимыми породами. Проявления карста в таких породах разнообразны: это могут быть каверны, расширенные трещины, полости, пещеры, воронки. В области развития карбонатного карста преобладают территории, где среднее количество провалов в естественных условиях составляет менее 0,01 случая на 1 кв. км в год, однако встречаются и сильно закарстованные территории с количеством провалов на порядок выше. Для карбонатного карста характерны явления поглощения поверхностных вод. Высока вероятность активизации суффозионных и провальных явлений в результате бесконтрольного изменения гидрологических условий. Возможны большие фильтрационные потери из водохранилищ и водоемов, а иногда - внезапные притоки воды в котлованы, открытые и подземные горные выработки.

Сульфатный и карбонатно-сульфатный карст.

Растворимость сульфатных пород (гипсов и ангидритов) значительная, но они в основной массе являются слаботрещиноватыми и маловодопроницаемыми. Карст в них развивается быстрее, чем в карбонатных породах, и более неравномерно. Коэффициент фильтрации может достигать 100-200 м/сут и более. Интенсивному развитию карста способствует сочетание более растворимых сульфатных пород с более водопроницаемыми карбонатными.Значительные площади занимают сильнозакарстованные участки с многочисленными подземными и поверхностными карстовыми формами, среди которых преобладают провалы и воронки. Их среднее количество на сильнозакарстованных участках не редко превышает 0,1 случая на 1 кв. км в год. В области развития этого типа карста растворение пород за период эксплуатации зданий и сооружений может быть заметным. Опасность активизации карста и связанных с ним суффозионных и провальных явлений в результате бесконтрольных техногенных изменений гидрогеологических условий больше, чем в карбонатных породах.

Галоидный и сульфатно-галоидный карст .

Растворимость галоидных пород (каменная соль и калийные соли) высокая, однако вследствие незначительной трещиноватости и водопроницаемости развитие карста в естественных условиях приурочено, как правило, только к кровле и краевым частям соляных залежей. Интенсивность развития карста зависит от активности водообмена. Процесс растворения нередко тормозится образованием близ поверхности соляных пород слоя рассолов высокой концентрации,имеющих тенденцию опускаться вниз благодаря своему большому удельному весу. Разработка соляных месторождений оказывает большое влияние на развитие карста и нередко вызывает резкую его активизацию. Активный соляной карст очень опасен, поскольку растворение пород идет чрезвычайно быстро. В области развития этого типа карста среднегодовое количество провалов превышает 0,1 случая на 1 кв. км в год.

Таким образом, различия в скорости растворения карстyющихся пород определяют значительно большую опасность сульфатного и тем более галоидного карста по сравнению с карбонатным.

Методика оценки опасности карстовых процессов

Степень опасности карста на территории Приволжского федерального округа определялась по комплексу показателей, характеризующих масштабы проявления карстовых процессов, и выражена в баллах в соответствии со следующими правилами. Областям распространения карстyющихся карбонатных пород приписывался 1 балл, сульфатных, соляных или их сочетанию с карбонатными - 2 балла. В районах с распространением поверхностных карстовых форм в виде воронок оценка повышалась на 1 балл при плотности воронок до 10 на 1 кв. км, на 2 балла - при плотности воронок до 300 на 1 кв. км и на 3 балла - при большей плотности. В пределах карстовых районов с неустановленной плотностью воронок прибавлялся 1 балл. В районах, где известны отдельные группы воронок и единичные формы (провалы, пещеры, крупные воронки), добавлялся 1 балл, а при их высокой концентрации - 2 балла.Кроме того, оценка опасности повышалась на 1 балл в районах перспективной разработки месторождений и на 2 балла - в районах интенсивной горнодобывающей деятельности с высокой степенью техногенного нарушения земель.

Особенности распространения карста на территории округа

Приволжский федеральный округ располагается в пределах двух карстовых стран - Русской равнины и Урала. Здесь распространены разнообразные литологические типы карста: карбонатный (известняковый и меловой), сульфатный, смешанный -сульфатно-карбонатный и сульфатно-соляной.

Степень опасности карста на территории округа из меняется от незначительной на большей части равнинной территории до максимальной на локальных участках в Приуралье. На западе равнинной области округа закарстованные территории представляют Окско-Клязьминскую карстовую провинцию.Здесь, на междуречье Оки, Мокшы и Суры, карстyются сульфатные, сульфатно-карбонатные и карбонатные породы верхней и нижней перми. Карстовые формы развиты на многочисленных участках, чаще всего в долинах рек и в пределах локальных тектонических поднятий. Они представлены воронками, котловинами, провалами, суходолами. На некоторых участках плотность воронок достигает 150-200 шт. на 1 кв. км. Крупнейшая карстовая котловина расположена в низовьях р. Бол. Кутра около с. Болотниково. Она имеет 1300 м в длину при ширине 400 м и глубине до 20-30 м. Здесь же расположен ряд крупных воронок до 200-250 м диаметром и глубиной 25-30 м.

В южной части района карстyются верхнедевонские,карбоновые и пермские известняки и доломиты.На востоке весьма интенсивные карстовые процессы развиты в Межпьянье и на междуречье Пьяны и Теши. Здесь многочисленны воронки до 15-20 м глубины, провалы, в том числе молодые, карстовые озера,небольшие пещеры протяженностью первые десятки метров. Карстовая опасность в этом округе местами достигает 4-5 баллов.Вдоль восточной половины Приволжской возвышенности с юга на север протягивается Приволжская карстовая провинция. В центральной части возвышенности, в бассейнах верхней Суры, Барыша, Свияги, Терешки, развит меловой карст. Здесь встречаются карстовые воронки, котловины, суходолы, в долинах рек - карстовые источники. Плотность форм невелика. Южнее, на междуречье Медведицы и Волги, карстyются мело-мергельные породы верхнего мела, а также известняки и доломиты карбона. Карстовые формы (небольшие воронки и провалы глубиной до 5-6 м) немногочисленны, и эти районы отнесены к незначительно опасным.

В центральной части округа на территории Верхневолжской низменности, Вятского Увала и северо-восточной оконечности Приволжской возвышенности располагается Средневолжская карстовая провинция. Развитый здесь карст относится к карбонатному типу, местами он сочетается с сульфатным, и в таких районах процесс имеет наибольшую интенсивность. Следует упомянуть левобережье р. Вятка вблизи п. Медведки, где встречаются крупные провальные воронки (до 50 м глубиной) и карстовые озера; междуречье Вятки и ее притока Немцы, где воронки достигают 30 м в диаметре и более 10 м глубины.

В окрестностях Казани, на междуречье Меши и Казанки, широко распространены воронки глубиной до 30 м и диаметром до 150 м, карстовые рвы, провалы.Один из крупнеиших провалов диаметром 23 м и глубиной более 7 м образовался в 1949 г. в черте г. Казань. На правобережье Волги (междуречье Волгии Свияги) карстyются известняки, доломиты и гипсы верхней перми. Особенно интенсивен карст в районе Камского Устья, где плотность воронок местами превышает 120 на 1 кв. км. Здесь встречаются также карстовые провалы и пещеры, а карстовая опасность оценивается в 5 баллов. На территориях, прилегающих к верховьям Куйбышевского водохранилища,встречаются редкие и незначительные по величине воронки и провалы -проявления карбонатного карста, опасность которого незначительна. Восточнее, в пределах Бугульминско-Белебеевской возвышенности и Жигулевского свода, распространен преимущественно смешанный, карбонатно -сульфатный тип карста. Карстовые формы здесь представлены главным образом небольшими воронками и провалами, глубиной несколько метров, хотя отдельные формы достигают значительных размеров. Так, на междуречье верховьев рек Мензеля и Меля встречаются воронки диаметром до 80 м и глубиной до 20 м; известен образовавшийся в 1939 г. Акташский провал-колодец на правобережье р. Степной Зай глубиной более 50 м при диаметре 5 м - один из самых глубоких на Русской равнине. В долине р. Ик, в районе п. Октябрьский, описаны карстовые пещеры, крупнейшая из которых имеет длину 120 м. Степень опасности карста в целом небольшая, хотя на отдельных участках может быть оценена как умеренная.Довольно интенсивные карстовые процессы протекают в пределах Самарской Луки, в бассейне р. Сок,на междуречье низовьев рек Сок и Самара. Здесь карстyются гипсы, известняки и доломиты перми и карбона. В Сокском районе на левобережье Волги встречаются воронки, котловины, слепые балки. Широко развит карст по северной периферии г. Самара,на правобережье рек Бол. Кинель и Самара, где в районе с. Алексеевка некоторые воронки достигают 40-метровой глубины при диаметре 150 м и где в 1956 г. возник провал 30-метровой глубины.Самарская Лука известна как район широкого развития поверхностных и подземных карстовых форм.

Под воздействием вод (рис. 1).

Карстовые явления связаны с карбонатными ( , доломит , мрамор и пр.) и некарбонатными ( , ангидрит , ) породами. В пределах материков обнажённые и погребённые карстующиеся карбонатные породы занимают до 40, гипсы и ангидриты около 7, каменная соль до 4 млн. км 2 . Карбонатные породы растворяются при участии свободной углекислоты или других минеральных и органических кислот. Растворение сульфатных пород и каменной соли может происходить в чистой воде, но наличие в воде растворённой соли, не имеющей общего иона с солью, образующей растворимую породу, повышает растворимость. Развитие карста происходит под совокупным воздействием поверхностных и подземных вод . Растворение горных пород часто сопровождается механическим размывом. Размыв может подготавливаться растворением спаек между зёрнами, что освобождает их от сцепления и облегчает смыв.

Для поверхности площадей развития карста характерны мелкие борозды и углубления — карры, замкнутые понижения (воронки, котловины, полья, естественные колодцы и шахты , слепые овраги и долины), ниши в обрывах. В известняковом карсте тропиков распространены останцы (моготе). Наиболее типичны воронки (конические, котло-блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы) диаметром от 1 до 200 м и более и глубиной от 0,5 до 50 м, а иногда значительно больше. На дне воронок и других понижений встречаются водопоглощающие отверстия — поноры, часто являющиеся началом шахт или колодцев, пропастей, иногда достигающих глубины более 1000 м (максимальная глубина 1410 м — пропасть Жан-Бернар в Альпах, Франция). Котловины и воронки могут то заполняться водой, то осушаться (периодически исчезающие озёра). Котловины, имеющие площадь до нескольких десятков и сотен км 2 , с исчезающими водотоками известны под названием польев. В закарстованных массивах образуются различные подземные ходы , полости , пещеры , которые часто развиваются вдоль трещин. Одна из крупнейших пещер мира Мамонтова с пещерной системой Флинт-Ридж ( , Кентукки) достигает 341 км суммарной длины; самая крупная пещера в — гипсовая Оптимистическая (Подолия) длиной около 150 км. Суммарную длину более 100 км имеют пещеры Хёллох (Швейцария, Альпы), Джуэлл (США, Южная Дакота) и Озёрная ( , Подолия), 9 пещер мира длиной более 50 км, 14 — более 40 км. Комплекс поверхностных и подземных карстовых форм наиболее полно выражен в том случае, когда поверхность растворимых обнажена (голый карст); менее выражен, когда эти горные породы перекрыты слоем почвы и дёрна (задернованный карст), нерастворимыми рыхлыми осадками (покрытый карст), полускальными и скальными образованиями (бронированный карст). В случае глубокого погребения растворимых пород под некарстующимися толщами образуется т.н. погребённый карст.

Карстовые местности бедны поверхностными водотоками. Для них характерны исчезающие под землю пещерные реки, мощные (тип воклюз), иногда субмаринные источники (выходы пресной воды на дне моря). С карстовыми явлениями внешне сходны явления псевдокарста, возникающие во льду и мёрзлых грунтах (Термокарст), в мелкообломочных и грунтах (кластокарст, глинистый карст, лёссовый карст, механический карст, суффозия, просадки). В их развитии основную роль играют другие, не типичные для карста физикческие процессы: таяние льда, механическое воздействие движущейся воды и пр.

Карст осложняет добычу полезных ископаемых , залегающих ниже или на уровне карстующихся пород. В этом случае карстовые воды обводняют горные выработки ( на Урале , Прибалтийский сланцевый бассейн , Миргалимсайское полиметаллическое месторождение в Казахстане). Наряду с этим, повышенная водоотдача и водопроницаемость карстующихся пород может благоприятствовать размещению в них дренажных выработок и осушению через их толщу (Соколовское, в и др.). Быстро развивающийся соляной карст затрудняет разработку каменных и калийных солей . В карстовых полостях часто накапливаются полезные ископаемые , образуя месторождения бокситов ( , плотности застройки и др.); устройство противофильтрационных завес и др. Строительное и хозяйственное освоение закарстованных областей требует проведения комплексных инженерно-геологических изысканий с применением съёмки, разведки, геофизических, стационарных, лабораторных и других видов исследований. В практических целях карст используется путём каптажа карстовых источников, дренирующих галерей, колодцев; разработки месторождений, формирование которых связано с палеокарстом; приспособления карстовых пустот для подземных хранилищ; освоения карстовых пещер как объектов для туризма.

Цены Контакты «Под карстом разумеются явления , связанные с деятельностью подземных вод, выражающиеся в выщелачивании растворимых горных пород (известняков, доломитов, гипса) и образовании пустот (каналов, пещер) в породах, сопровождающиеся часто провалами и оседаниями кровли и образованием воронок, озер и других впадин на земной поверхности» (Ф. П. Саваренский).

В этом определении карстом назван процесс образования пустот в растворимых породах. Но часто карстом называют самые пустоты, образовавшиеся в породах в результате выщелачивания. Желая уточнить терминологию, процесс образования пустот в породах в результате выщелачивания называют карстообразованием или карстовым процессом, а пустоты-карстовыми пустотами. Тогда словом «карст» можно обозначать всю совокупность явлений, связанных с образованием в растворимых породах пустот, т. е. как процесс, так и его результаты.

Развитие в какой-либо местности карста представляет серьезное препятствие или, по крайней мере, затруднение при строительстве и использовании сооружений. Поэтому изучение карста является весьма важным, а иногда решающим элементом инженерно-геологических исследований, особенно при гидротехническом строительстве.

Учение о карсте как геологическом процессе и факторе формирования рельефа разрабатывается динамической геологией и геоморфологией. Для оценки роли карста с инженерно-геологической точки зрения следует рассматривать: скорость карстового процесса, частота возникновения провалов во времени и распределение их в данной местности, прочность и устойчивость пород в горизонте с развитием карста и в вышележащих толщах и др. Поэтому изучением карста с этой последней точки зрения занимается также инженерная геология.

При инженерно-геологическом изучении карста , как и других геологических процессов и явлений, надо исходить из представления о нем как о процессе или явлении историко-геологическом подчиняющемся региональным и отчасти зональным условиям. Распространение карста на Русской равнине находится в закономерной связи с ее тектоникой и морфологией – интенсивные карстовые процессы приурочены здесь к определенным структурным и морфологическим элементам- тектоническим поднятиям, а также древним денудационным уступам и бортам крупных дислокаций.

Из наиболее отчетливо выраженных карстовых районов в пределах Русской равнины могут быть выделены:

• южное крыло Московской синеклизы, соответствующее в современном рельефе Средне-Русской возвышенности;
• северо-западное крыло Московской синеклизы, характеризующееся сравнительно резким расчленением рельефа, создаваемым наличием древнего карбонового уступа;
• силурийское плато, которому соответствуют наиболее повышенные отметки рельефа в данном районе и прекрасно выраженный древний. уступ;
• район Окско-Цнинского вала;
• район Алатырского вала;
• район Солигаличских поднятий;
• район Вятского вала;
• район Самарской Луки;
• Уфимское плато.

Кроме того, в ряде мест, где карст связан с древними процессами, он не проявляется на поверхности и обнаружен на глубине разведочными работами.

Вне Русской равнины карстовые районы известны на Урале в горах Крыма, на Западном Кавказе, в Средней Азии на Тюя-Муюне, в Сибири по р. Ангаре и других местах.

Распространение карста имеет четко выраженный региональный характер, причем на территории России можно встретить все типы; карата и все карстовые формы.

Основные региональные условия развития карста-наличие растворимых пород и залегание их выше местных базисов эрозии и коррозии.

Из растворимых пород наиболее распространены известняки разного рода, доломиты, гипс, ангидрит, реже встречается каменная соль. В зависимости от растворимости породы ход развития карста при прочих равных условиях будет различным. Но процесс растворения зависит также и от свойств растворителя; поэтому, давая оценку растворимости пород, надо всегда иметь в виду и определенный состав растворителя.

Известняки, доломитолиты, гипсолиты в большинстве случаев водопроницаемы только по трещинам. Поэтому и растворение вещества породы происходит только по стенкам трещин. И если бы не происходило перемешивания струй, то очень скоро непосредственно у стенок слои воды пришли бы в насыщенное состояние и процесс растворения мог бы продолжаться лишь при условии диффузного выравнивания состава воды. На самом деле вода двигается по трещинам с завихрением и со стенками соприкасаются все новые струи, что и поддерживает процесс растворения. Чем больше перемешивается двигающаяся вода, тем скорее исчерпывается ее растворяющая способность. При прочих равных условиях количество растворенной породы будет зависеть от количества прореагировавшей воды, т. е. от условий питания и фильтрации.

Условия питания водой зависят от климатической зоны, в которой расположен район, и доступности поверхности пород для атмосферных вод, т. е. обнаженности водопоглощающих участков и условий стока атмосферных вод, а также от условий поступления в породы агрессивных подземных вод.

Условия фильтрации зависят от степени и характера водопроницаемости пород, т. е. от их трещиноватости или их фильтрующей пористости и дырчатости (например, у известняков-ракушечников и туфов), а также от градиентов фильтрации, которые могут установиться.

Вблизи абразионных и эрозионных склонов, особенно крутых, тектонические трещины бывают расширены выветриванием и в результате различных процессов смещения пород (оползни, оседания массивов и пр.). Это увеличивает поступление воды в породы и ускоряет фильтрацию. Фильтрация в трещиноватых породах вблизи склонов ускоряется еще тем, что здесь легко устанавливаются более короткие пути и большие градиенты фильтрации.

Вблизи уступов и склонов возможна более сильная циркуляция подземных вод и развитие карстовых пустот бывает особенно сильным . Наверху склона и в прилегающих частях водораздельных пространств образуются воронки, колодцы, провалы, которые связаны с круто уходящими вглубь карстовыми ходами, обычно в направлении тектонических трещин. Внизу и у подножия склона, в виде пещер, выходят наружу горизонтальные ходы, проложенные водой большей частью по трещинам напластования.

Развитие карста останавливается в следующих случаях:

1. когда современный базис коррозии повышается;
2. когда прекращается поступление воды в карстовые полости вследствие накопления в них остатка от растворения пород (пещерная глина) и обрушения пород (карстовая брекчия) и вследствие образования на поверхности достаточно мощного слоя элювия, делювия и отложений карстовых озер;
3. когда поверхность карстующихся пород перекрывается более поздними отложениями (ископаемый или погребенный карст).

Карст серпуховских известняков северо-западного крыла Московской синеклизы относится к длительному доверейскому континентальному периоду. Доверейским надо считать карст в верхнедевонских известняках южного крыла Московской синеклизы, так как карстовые воронки заполнены здесь красноцветными верейскими отложениями.

Если составляющие породу минералы растворяются в воде не в одинаковой степени и не с одинаковой скоростью, то процесс разрушения породы значительно усложняется. Так, например, в известковистых доломитолитах доломит и кальцит будут растворяться с разной скоростью в зависимости от соотношения их в породе и от скорости движения воды.

В разных породах карст развивается с различной скоростью: медленнее в карбонатных породах-известняках и доломитолитах, скорее в сульфатолитах-гипсолитах и ангидритолитах. Это различие в скорости развития карста позволяет по разному оценивать значение карста в разных породах-карбонатных и сульфатных. За время службы сооружений, жилых и заводских капитальных зданий, т. е. за 50-100 лет, развитие карста ощущается только в очень рыхлых и слабых карбонатных породах как, например, ракушечник или мел, а в других известняках только при очень энергичной циркуляции агрессивных вод. В сульфатных породах карст развивается со значительной быстротой, и новые воронки и провалы могут появляться даже ежегодно.

Инженерно-геологическое изучение карста главным образом должно выяснить:

1. степень угрозы построенным в данном месте сооружениям со стороны провалов и других нарушений поверхности;
2. условия фильтрации для гидротехнических сооружений;
3. возможный приток воды в подземные выработки.

Разрушения поверхности происходят в результате:

1. растворения атмосферными водами выходящих на поверхность растворимых пород;
2. проникновения по трещинам поверхностных вод и сноса их потоками почвы и рыхлых пород в подземные карстовые пустоты;
3. обрушения пород в своде больших подземных пустот (карстовых пещер), отражающегося сразу или постепенно на поверхности в виде провалов.

Растворяя породы, атмосферные воды создают густую сеть сухих оврагов, водотоки в которых наблюдаются только в разгар снеготаяния и при сильных ливнях. В таких оврагах вода часто поглощается трещинами и, не доходя до конца оврага, уходит под землю (слепые овраги). В концах таких оврагов часто имеются карстовые воронки, которые постепенно образуются в местах сосредоточенного ухода воды под землю. Образование этих воронок идет путем прямого растворения пород, смыва породы, разрыхлившейся по краям почвы и поверхностных отложений.

При инженерно-геологической оценке карста прогноз его развития и, следовательно, опасности провалов представляет весьма трудную задачу, решаемую лишь условно, так как этот вопрос в сущности совершенно не разработан.

Основные принципы инженерно-геологического изучения карста сформулированы следующим образом:

1. Изучать карст надо в неразрывной связи с литологией и тектоникой района, поскольку тектоника района является основным фактором трещиноватости пород, а трещиноватость определяет способность пород к карстованию.
2. Изучать карст надо в связи с условиями циркуляции подземных вод, их питания и выхода на поверхность, а также геоморфологическими и историко-геологическими условиями местности.
3. Изучать карст надо в процессе его возникновения и роста, затухания и возобновления, омоложения.
4. Изучать надо эволюцию карста в связи с изменениями базисов эрозии и коррозии в ходе общей геологической истории края.

При гидрологическом изучении нужно самым тщательным образом исследовать посезонный режим и расходы местных водотоков, а также подземный сток на разных участках и подводный выходов больших количеств воды из карстовых пустот.

При изучении гидрогеологических условий местности, кроме общих вопросов, нужно с особой тщательностью исследовать условия питания поверхностными и подземными водами и дренирования пород, а также пути циркуляции подземных вод на участка развития карста. Для этого, кроме гидрогеологической съемки необходимо проводить специальные исследования химического состава и температуры воды в разных точках: источниках, разведочных выработках и карстовых пустотах (пещерах), а также распределения и режима этих вод.

Нужно проводить опытные работы для определения водообильности пород (с помощью откачек) и для определения направления и скорости потоков подземных вод (с помощью окрашивания вод или других легко наблюдаемых искусственных изменений их состава). Наблюдая за режимом подземных вод, необходимо проводить измерения пьезометрических уровней напорных водоносных горизонтов (единовременные и длительные).

Геоморфологическое изучение не должно ограничиваться только участками проявления карста . Особое внимание следует при этом обращать на историко-геологический анализ формирования рельефа в связи с тектоническими движениями и на связь современных и древних уровней эрозии и коррозии с современными и древними морфологическими элементами. Не менее важно обращать внимание на карстовые формы, погребенные под позднейшими отложениями.

Кроме того, для карстовых проявлений надо изучать их возраст. Для поверхностных форм нередко можно установить абсолютный возраст (время образования). Возраст глубинных, форм обычно удается установить лишь относительно, руководствуясь связью с элементами древнего рельефа и судя по характеру заполнения пустот.

Сделать заказ на геологические изыскания

1. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

В строительной науке под карстовыми процессами (карст) принято считать растворение (выщелачивание) горных пород атмосферными или подземными водами и образованием на поверхности земли впадин, провалов или пустот, каналов, пещер под землей.

Исторически, слово карст произошло от названия известкового плато в районе Триеста в Словении.

В России карстовые процессы имеют широкое распространение. Так карст можно встретить в районах Приуралья, на Русской равнине, в Приангарье, в Сибири, на Кавказе и Дальнем Востоке.

К водорастворимым горным породам относятся доломиты, известняки, мел, сильноизвестковистый мергель, гипс, соль и пр.

2. ВИДЫ КАРСТА И КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Принято говорить о соляном карсте (хлоридный) при обнаружении карстовых пустот в залежах соли, о гипсовом (сульфатном) карсте при распространении карста в гипсе, о карбонатном карсте в известняках, доломитах, меле или мраморе.

На поверхности земли карст обретает самые различные очертания - канавки, борозды, щели или как еще их называют, в геологии - карры . При распространении таких карстов на больших площадях их называют карровыми полями.

Понорами называют глубокие карстовые щели, которые выводят поверхностные (атмосферные) воды в подземные бассейны.

Карстовые воронки являются наиболее распространенным карстовым проявлением. Размеры воронок в поперечнике, варьируются от 1м до 50м (по некоторым источникам до 100м). Глубина воронок от 1м до 20м. Принято различать поверхностные и провальные воронки. Поверхностные образуются за счет растворения пород атмосферными водами. Провальные воронки формируются в результате обрушения скальных пород над подземными пустотами.

Полья формируются при объединении карстовых воронок или опускании больших территорий земной поверхности. По длине полья достигают несколько километров, а по глубине несколько метров.

Каверны образуются при растворении пород в области многочисленных трещин.

Пещеры образуются в результате эрозионных процессов, процессов обрушения пород, механической суффозии и процессов растворения. Пещеры могут достигать огромных значения в поперечнике и их длина достигает нескольких десятков километров.

Известны случаи когда при формировании больших карстовых форм исчезали целые реки и озера с поверхности земли.

В геологической практике, по расположению, различают карст открытый и скрытый.

Для выбора площадки строительства и разработки безопасных проектно-технических решений устройства фундаментов важным фактором является степень активности карстовых процессов. В связи с этим различают активный и пассивный карст. При активном карсте степень закарстованности увеличивается. Пассивный карст (древний карст) развивался в прошлом. В таком карсте отсутствует свободное и интенсивное движение воды и он содержит продукты выноса смежных пород.

Одним из наиболее существенным карстовым процессом является процесс растворения. Вода, содержащая углекислоту (СО 2), движется по трещинам и крупным тектоническим разрывам, растворяет известняки и насыщается бикарбонатом кальция Са (НСО 3) 2 . При выходе из трещины часть углекислоты из воды выделяется, в связи с чем бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСО 3), образуя в карстовых пустотах характерные натечные формы известняка в виде сталактитов . На дне пещер навстречу сталактитам постепенно поднимаются сталагмиты . При соединении сталактитов и сталагмитов образуются колонны.

Карстовые воронки.

3. УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ КАРСТА

Самым существенным фактором в развитии карста является объем воды проходящий через определенное сечение породы в единицу времени. Скорость прохождения воды зависит от размера карстовых пустот. Т. е. чем больше скальные породы имеют карстовых пустот, тем интенсивнее происходят процессы по карстообразованию. Также, необходимо добавить, что сам по себе факт наличия воды в карстующихся породах еще не говорит о процессах карстообразования, т.к. в состоянии покоя вода, через некоторое время, достигает определенной степени насыщения и неспособна к дальнейшему растворению пород. Процессы карстообразования имеют вертикальную зональность, т.е. интенсивность развития карста на разных глубинах различна. Это объясняется плотностью сложения грунтов, коэффициентом фильтрации и дренирования, с глубиной прекращаются биологические процессы.

Карстовый процесс продолжается до уровня расположения водоупора или подземных вод, где останавливается или значительно снижается разрушительное (коррозионное) воздействие воды. Такой уровень называют базисом коррозии.

Насыщенные карстовые воды попадая в некарстующиеся породы выделяют различные вещества, такие как, кальцит. Такие зоны в скальных породах называют зонами цементации, т.е. зоны в которых происходят процессы накопления и упрочнения пород.

Не малую роль в условиях развития карста играют перекрывающие скальные породы. Например при расположении глинистого грунта над карстообразующими породами способствует снижению развития карста за счет процессов суффозии и кольматации.

В большей степени карст развивается в условиях расчлененного рельефа и влажного климата, способствующего поступлению воды (инфильтрации) в горные породы. Например установлено, что на территории Урала до 50% карбонатных солей выносится водами в весенний период.

Влияет на развитие карста и растительный слой. С одной стороны густая растительность является барьером для попадания атмосферных вод в скальные массивы, с другой стороны растительность насыщает воду свободной СО 2 и увеличивает ее растворяющую способность.

Как уже было сказано, скорость развития карста отличается в зависимости от слагающих пород. Так например, развитие трещин в известняках за столетний период может достигать 50см.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАРСТА

Действующее законодательство в строительстве запрещает проектирование и строительство на территориях развития карста без проведения комплекса инженерно-геологических работ по исследованию карста.

В качестве обязательных инженерно-геологических работ для целей нового строительства современные нормы и правила в строительстве, предусматривают:

• маршрутные наблюдения по выявлению карстовых процессов;
• глубокое бурение (до 120м и более) с проходкой карстовых пород не менее 5м;
• геофизические исследования карстовых пород;
• изучение каменноугольных мощностей на наличие в них карста, раздробленных структур и тектонических зон;

При наличии покрывающей толщи карста изучают состав, состояние и водонепроницаемость (защитные свойства) слагающих грунтов. Особо опасны районы с перекрывающей толщей сложенной из гравелистых и песчаных грунтов, а также супесями. В несвязанных толщах грунтов возможно развитие карстово-суффозионных процессов с вмыванием грунта в карстовые полости и образования карстовых воронок на поверхности земли. Такие процессы могут проходить катастрофически быстро и являться причиной разрушения или выхода из строя зданий и сооружений.

При производстве изысканий на территориях распространения труднорастворимых карбонатных пород особое внимание уделяется выявлению сформировавшихся карстовых форм. Это обусловлено тем, что время для формирования новых карстовых образований в таких породах несопоставимо больше, чем жизненный цикл строительных объектов.

В сульфатных породах время развития карста сопоставимо со временем строительства и эксплуатации зданий и сооружений, поэтому необходимо исследовать такие породы не только на наличие, размер и распространенность карстовых полостей, но и на скорость и условия растворения этих пород.

В карстовых районах необходимо определять следующее:

• геологическое строение грунтового массива;
• литологический состав;
• состояние и свойства пород;
• гидрогеологические условия;
• наличие проявлений карста.

Состав и объем работ по инженерно-геологическим изысканиям в районах распространения карстово-суффозионных процессах определяется программой изысканий, которая разрабатывается при участии геологов и проектировщиков.

При выполнении инженерно-геологических изысканий выполняют следующие комплексы работ по исследованию карста:

1. Сбор и анализ имеющихся архивных материалов .

Архивные материалы об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях района как правило, должны включать данные об особенностях геологического строения массива, геоморфологических и гидрогеологических условиях, данные о типе карстующихся пород, о типе карста, условиях залегания и распространения, глубине развития активного и пассивного карста, данные о покрывающих породах, гидрохимических условиях и пр..

Архивные материалы могут включать информацию об истории геологического развития территории, анализу палеогеографических данных, установлению стратиграфических перерывов в осадконакоплении. Также можно получить данные о наличии деформаций существующих объектов капитального строительства вызванных карстовыми процессами.

Архивные материалы особенно могут быть полезными при изучении фактов техногенного воздействия на территорию района строительства - загрязнении атмосферного воздуха, утечках из подземных коммуникаций, изменении химического состава, агрессивности и температуры поверхностных и подземных вод, водопонижениях при разработке и добыче полезных ископаемых или осушении земель, подтоплении при орошении земель и пр..

В результате анализа архивных материалов составляются схематические планы (карты) распространения карстующихся пород, с делением на опасные, потенциально опасные и неопасные территории по развитию карста.

2. Маршрутные наблюдения с карстологическим обследованием

Маршрутные наблюдения позволяют установить: поверхностного проявления карста, наличие гидрогеологических проявлений, приуроченность проявлений карста к геолого-тектоническим и геоморфологическим условиям, связанные с карстом деформации зданий, наличие водозаборов, подземных трубопроводов и гидротехнических сооружений оказывающих влияние на карст, наличие сооружений инженерной защиты.

При этом, в процессе таких работ может проводится опрос населения и сотрудников промышленных предприятий.

3. Наземные геофизические работы, скважинные геофизические исследования

Геофизические работы, как правило, должны выполняться на всех этапах инженерно-геологических изысканий на территориях распространения карстовых процессов.

В результате геофизических исследований решаются следующие задачи:

• устанавливается мощность, состав и условия залегания покрывающих и карстующихся пород;
• определяется глубина залегания уровня, направления и скорости движения подземных вод, устанавливается их минерализация, места питания и разгрузки;
• определяется степень закарстованности и разрушенности пород, устанавливаются зоны разуплотнения, дробления и пр., дисперсных покрывающих пород;

При геофизических исследованиях могут быть использованы различные методы: электроразведка, сейсморазведка, гравиразведка, радиометрические и акустические исследования, резистивиметрия и термометрия поверхностных водоемов и колодцев, и другое.

По результатам таких работ составляются разрезы и карты глубин залегания карстовых пород, с указанием мощности и различных зон интенсивности проявления карста.

4. Бурение карстологических скважин

Необходимость, состав, глубина и расположение скважин регламентируется действующим строительном законодательством и уточняется в техническом задании и программе инженерно-геологических работ. При этом часть скважин предусматривается для изучения карста на больших глубинах (глубокие скважины), более 30м, но не менее чем на 5м в подстилающие или незакарстованные породы. В случае больших мощностей карстовых пород программой изысканий может быть обосновано не полное вскрытие таких пород.

Если покрывающая толща, преимущественно сложена глиной мощностью порядка 10м и более, то допускается не вскрывать карстующиеся породы. При этом должна быть изучена степень водопроницаемости защитной толщи.

При разработке геологических выработок (скважин), выполняются геофизические исследования (каротаж, межскважинное просвечивание), по методике описанной в программе изысканий.

Проходка скважин фиксируется в буровых журналах, с отражением каждого слоя, интервалов глубин провалов бурового снаряда и др.

5. Полевые исследования грунтов

В результате полевых исследований могут быть решены следующие задачи: отражение в геологической модели, зон покрывающих ослабленных и разуплотненных пород, определения свойств грунтов, изучение характера распространения карстующихся пород.

К полевым методам исследования грунтов относятся методы статического и динамического зондирования, пенетрационно-каротажные и пр.

При определении прочностных и деформационных свойств грунтов выполняются работы (отбираются образцы) в пределах расположения карста и за его пределами, в ненарушенной зоне.

6. Гидрологические и гидрогеологические исследования

При изучении гидрогеологических условий района как правило, устанавливают распространение и условия залегания водоносных горизонтов, условия их подпитки, разгрузки и прохождения через грунтовые и скальные массивы, устанавливают гидрохимическую и гидродинамическую распространенность. Важное место в этих исследованиях это установление взаимосвязи поверхностных и подземных вод и влияние техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий. На этом этапе всегда выполняются лабораторные анализы отобранных проб подземных и поверхностных вод по определению химического состава и растворяющей способности по отношению к карстующимся породам. При гидрогеологических исследованиях выполняют работы по определению фильтрационных свойств пород и установлению гидрогеологических параметров:

• коэффициент фильтрации;
• водопроводимость;
• уровнепроводимость;
• водоотдача;
• удельное водопоглащение;
• избыточные напоры;
• градиенты вертикальной фильтрации.

При соответствующем обосновании или требованиях Технического задания, на этапе гидрогеологических исследований могут проводиться работы по составлению прогноза изменения гидрогеологических условий в процессе строительства или эксплуатации объекта.

7. Лабораторные исследования и камеральные работы

При лабораторных исследованиях грунтов выявляют физико-механические, химические характеристики грунтов, выявляют их структуру. Для карстующихся пород, необходимо выявление минералого-петрографического состава пород, выявляют общее содержание органических веществ, их способность к растворению в воде.

При этом возможно использование следующих методов:

• общий и спектральный анализ;
• водные и кислотные вытяжки;
• термические методы;
• рентгеноструктурные;
• микроскопические исследования
• прочее.

Камеральные работы начинают выполняться на этапе полевых работ, а заканчиваются после выполнения лабораторных анализов. При этом осуществляют инженерное районирование территорий по условиям и степени развития карста и его проявлениям. При инженерном районировании территориям строительства присваиваются категории по интенсивности образования карстовых провалов и устойчивости территории относительно средних диаметров карстовых провалов.

Результатом камеральных работ является подготовленный отчет об инженерно-геологических изысканиях где приводиться комплексная оценка опасности развития карста.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО В КАРСТОВЫХ РАЙОНАХ

Проектирование и строительство в карстовых районах является очень сложным процессом так как он должен учитывать всю неопределенность геологической среды. Карстующиеся породы не являются надежным основанием и могут приводить к неравномерным деформациям и осадкам, а иногда и к разрушениям конструкций.

В процессе проектирования, а также строительства зданий и сооружений, необходимо учитывать вид карста и оценку территории по развитию карстовых процессов. Так необходимо понимать скорость развития карста в условиях строительства на территориях активного карста.

В соответствии с действующими нормами и правилами в строительстве в РФ, возведение зданий и сооружений на опасных карстовых территориях разрешается в исключительных случаях при определенном обосновании. Это же относится к строительству в зоне формирования старых карстовых воронок.

При строительстве в карстовых районах осуществляют ряд мер направленных на прекращение развития карста (инженерно-геологические) и инженерно-технические мероприятия направленные на сопротивление проявлениям карста:

1. Защита карстовых пород от опасных гидрогеологических процессов, воздействия поверхностных и подземных вод, посредством проектирования систем дренажей, формирования рельефов, формирования устойчивого растительного слоя, замены водопроницаемых слоев грунта и пр.;
2. Изменения структуры карстовых пород через нагнетание в пустоты жидкого стекла, цементационного раствора и др. материалов;
3. Выполнение комплексных инженерных расчетов учитывающих работу подземной и надземной частей здания на образование, в неблагоприятном месте, карстовой воронки;
4. Проектирование монолитных плитных фундаментов или фундаментов из жестких перекрестных лент, с выпуском консолей за пределы расчетного диаметра карстовой воронки. В случае устройства свайных фундаментов их предусматривают выскальзывающими;
5. Проектирование систем автоматических сигнализаций;
6. Разработка мероприятий по усилению транзитных коммуникаций, устройство запорной арматуры вне зданий и пр.;
7. Разработка специализированной инженерно-технической документации направленной на ремонт и обслуживание зданий на этапе эксплуатации.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО ДИАМЕТРА КАРСТОВОГО ПРОВАЛА

ОБРУШЕНИЕ В СЛОЕ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Определение расчетного диаметра карстового провала в несвязных грунтах основано на вычислении размеров ослабленной (разуплотненной) зоны в основании сооружения, образующейся в следствии суффозионных процессов при образовании полости в карстующихся породах.

Кинематика и механизм массовой суффозии хорошо объясняются существованием зональной области влияния ослабленного участка массива пород, схематическое строение которой показано на рисунке.

АА"С"B"B - область влияния ослабленного участка;

β=π/4+φ/2; ψ=φ,

φ - угол трения равный сумме угла трения между песчаными частицами и угла дилатансии;

D 0 - размер карстовой полости.

ОБРУШЕНИЕ В СЛОЕ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

Нарушение сплошности слоя связных грунтов заключается в изгибе слоя связных грунтов над карстовой полостью и образовании трещин отрыва. Замыкаясь внутри пласта, трещины образуют свод обрушения размером D K (см. рисунок ниже).

Если высота свода значительно превышает толщину слоя глинистых грунтов m, то поверхность смещения в глинах может оказаться практически вертикальной, что позволяет использовать в расчетах модель Бирбаумера. Хорошей альтернативой ей может служить модель Протодьяконова, в основу которой положен действительный механизм провалообразования, наблюдаемый и в лабораторных опытах и в массиве пород. Из нее следует, что в несвязных грунтах диаметр полости в основании устойчивого параболического свода равен D=m⋅tgφ, где m - высота свода, φ - угол внутреннего трения песков.

Для определения геометрических параметров свода равновесия в грунтах, обладающих также и сцеплением, М.М. Протодьяконов рекомендует вместо коэффициента трения tgφ пользоваться коэффициентом крепости пород, который равен отношению сдвиговой прочности τ, к величине сжимающих напряжений σ z на уровне подошвы свода или, что, тоже самое, на отметке кровли карстовой или промежуточной полости. В этом случае, нависающие над сводом консоли неустойчивы и смещаются сразу вслед за ним, а диметр "окна" в экранирующем слое D K примерно равен диаметру полости в карстующихся породах.