Карст. Эволюция карста

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.3 Движение вод в карстовых  массивах 

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

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

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

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

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

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

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

По мере заполнения подрусловых  карстовых пустот в зависимости  от местных геологических и других условий подрусловой поток либо исчезает, либо перемещается на другой участок поперечного профиля  в новые пустоты, образовавшиеся за счёт выщелачивания. Так как подземный  поток перемещается в горизонтальном направлении медленнее, чем меандрирующая  река, то он может быть не только под  руслом реки, но и под поймой и  террасами. Подрусловый поток наблюдается  не по всему течению рек. В местах, где за счёт фациальных изменений, строения или разрывных нарушений карстующиеся породы под руслом замещаются некарстующимися, подрусловой поток выходит в  реке или близ её русла в виде восходящего источника. Зимой над  местом выхода более тёплых подрусловых  вод лёд не образуется.

Зона глубинной циркуляции ниже речных долин и подрусловых  пустот характеризуется движением  карстовых вод по структурам в  направлении базисов разгрузки  континентов и морей. Движение обычно происходит весьма медленно и зависит  от разности отметок области питания  и области разгрузки, проницаемости  и др.