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.

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:

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.;
Изменения структуры карстовых пород через нагнетание в пустоты жидкого стекла, цементационного раствора и др. материалов;
Выполнение комплексных инженерных расчетов учитывающих работу подземной и надземной частей здания на образование, в неблагоприятном месте, карстовой воронки;
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;
Проектирование систем автоматических сигнализаций;
Разработка мероприятий по усилению транзитных коммуникаций, устройство запорной арматуры вне зданий и пр.;
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.

Растворение некоторых горных пород вызывает целый ряд явлений, которые называются карстовыми. Слово «карст» обозначает такие формы рельефа, которые были образованы вследствие растворения горных пород, таких, например, как каменная соль, гипс, мел, известняк, доломиты. Карстовые явления были впервые изучены на плато Карст (от названия которого и произошло название этого явления), расположенном к северо-востоку от города Триест на побережье Адриатического моря. Толщу карстующихся пород можно разделить на 3 этажа.

Верхний. Здесь вода быстро уходит вниз, и растворение идет слабо. Поэтому этот этаж как бы «корочкой» покрывает образовавшиеся внизу пустоты. Иногда «корочка» ломается, и на поверхности появляются провалы. В зависимости от формы и размеров они носят названия воронок, блюдец, колодцев и шахт. Эти шахты и колодца могут иногда достигать значительных глубин. Самая глубокая из известных карстовых шахт находится недалеко от города Верона (Италия). Провал на склоне горы Машук в Пятигорске — крупная, глубиной 26 метров, карстовая котловина. В воронках и котловинах часто образуются озера.

Средний. Здесь активнее всего растворяются породы. Этот этаж расположен между высшим и низшим уровнями грунтовых вод. Здесь вода циркулирует по трещинам в горных породах и, растворяя их стенки, расширяет их, превращая в сложную систему разнообразных по величине подземных каналов.

Нижний. Здесь карстовые процессы замедляются, так как вода там застаивается, насыщается углекислотой и перестает растворять горные породы.

Растворимость карстующихся пород тем выше, чем больше химическая активность воды, а это в свою очередь зависит от количества растворенных в ней кислот, особенно углекислоты, поступающей в воду из атмосферы, при извержении вулканов, при разложении органических остатков, при пожарах лесов и торфяников. Усиливает карстовые процессы деятельность небольших животных, создающих ходы.

Во многих районах планеты карстующиеся породы покрыты некарстующимися — это закрытый карст. Он характерен для равнин. В горах же, где преобладает снос материала, подверженные растворению породы выходят на поверхность, и здесь развит так называемый голый карст. В этих случаях земная поверхность часто изъедена бороздами, называемыми каррами (нем. karren — небольшие остроконечные гребешки, разделяющие неглубокие крутосклонные впадины от нескольких сантиметров до 2 метров). Они образуются растворяющим действием воды атмосферных осадков. Направление и рисунок карров зависят от строения слоев в горной породе. Нередко карров так много, что поверхность напоминает гигантские пчелиные соты. Ходить по ним очень трудно. Со временем голый карст может стать покрытым. Так как породы растворяются не полностью, нерастворимый осадок известняков — глинистый материал — накапливается на их поверхности, закупоривает трещины, препятствует дальнейшему карстообразованию.

Карстовые явления нередко приводят к образованию подземных пещер. Карстовые пещеры — замечательные создания природы. Они состоят из галерей, тоннелей, гротов и залов, расположенных на разных уровнях и соединенных шахтами и колодцами. Нередко по тоннелям несется вода, а залы заняты глубокими озерами. Красивейшей в Европе считается пещера Постойна Яма в Словении. Общая протяженность ее около 20 км. По некоторым ее тоннелям протекает река, в которой водятся безглазые рыбы. В России знаменита Кунгурская пещера в Предуралье, длина которой около 6 км, в ней находятся более 30 озер. Самая большая пещера — Мамонтова (США, штат Кентукки); суммарная длина всех ее ответвлений — 240 км.

Основным украшением карстовых пещер являются каменные сосульки (сталактиты) и каменные столбики (сталагмиты). В каплях, стекающих с потолка и стен пещер, содержится много углекислой извести, которая образовалась в результате растворения известняков. Капли стекают медленно, подолгу висят на одном и том же месте, частично испаряются. Углекислая известь осаждается из них и постепенно образует сталактиты. Со дна пещеры, куда капли в конце концов срываются, навстречу им растут сталагмиты. Местами сталактиты и сталагмиты сливаются в причудливые колонны — сталагнаты. Цвет их зависит от примесей в породе. Они могут быть ярко-белыми, желтыми, коричневыми или бурыми.

Грунты с карстовыми явлениями ненадежны для любого вида инженерных сооружений, осложняют земледелие, так как не только иссушают почвы, но и нарушают поля провалами и воронками. Под влиянием карста происходит немало удивительных явлений: буквально пропадают реки, ручьи, озера (проваливаются под землю); некоторые реки внезапно «выныривают» на поверхность. Известны случаи, когда дома проваливались в карстовые полости, а целые кварталы разрушались. Так, в ЮАР в 1962 году исчез под землей, в провале, целый завод, а позже — жилой дом. В ноябре 1989 года в Предуралье было предотвращено крушение поезда, остановленного всего за несколько метров до карстового провала, над которым рельсы повисли в воздухе на целых 3 метра. Опасны провалы на трассах газо- и нефтепроводов, вдоль линий электропередач.

Несмотря на «коварство» карста, с ним можно бороться: нагнетать по скважинам цемент в подземные пустоты или «залечивать» воронки грунтом. Именно эти мероприятия позволили в карстовых районах вести строительство: так были возведены гидроэлектростанции на реках Уфе и Днепре.

Продольный разрез карстовой пещеры (1 — вход, 2 — сталактиты, 3 — сталагмиты, 4 — подземное озеро).

Под землей карст может даже стать помощником человека: по карстовым пещерам спелеологам (исследователям пещер) удается проникнуть на сотни метров в глубину планеты для ее исследования.

В тропиках карст образует причудливые башни, конусы и купола высотой до 300 м и более. Нередко они смыкаются и порождают фантастические образования. Их поверхность изъедена каррами, а на склонах чернеют многочисленные устья пещер, пронизывающих их толщину. Очень живописны ландшафты тропического карста на Кубе, во Вьетнаме, в Китае, где карстовые башни, конусы напоминают фантастические деревья в «каменном лесу». Здесь же, на юге Китая, находится самая обширная карстовая область Земли, занимающая территорию около 600 тыс. км². Часть ее затоплена морем, а карстовые башни выступают над его поверхностью куполовидными островами различных размеров.

В нашей стране карст встречается во многих районах: в Европейской части России, на Кавказе, в Прикаспийской низменности, на Урале. Распространен карст также и в Восточной Сибири, в Прибайкалье и Приморье.

Карст (карстовый процесс)

Карстовые процессы имеют на территории России широкое распространение. Это западное Приуралье, Русская равнина, Прианга-рье и во многих других местах Сибири, Кавказа, Дальнего Востока. Расположение карстовых районов на территории Москвы показано на рис. 76.

Под карстовым процессом понимают процесс выщелачивания горных пород, т. е. процесс растворения и выноса какой-то части горных пород из массива в растворенном виде. Следовательно, для возникновения и протекания этого процесса необходимо выполнение следующих основных условий:

1) наличие массива растворимых горных пород,
2) движущиеся поверхностные или подземные воды определенного химического состава.

Долгопрудный

Северный

Солнцево

Рис. 76. Карта зон карстовой и карстово-суффозионной опасности на территории Москвы (авторы: В.М. Кутепов, Н.Г. Анисимова, И.А. Кожевникова,

И.В. Козлякова, М.М. Максимов, В.С. Саянов, 1996).

1 - весьма опасная; 2 - опасная; 3 - малоопасная.

4 - весьма опасная; 5 - опасная; 6 - неопасная

Карст - это прежде всего процесс растворения горных пород и поэтому его иногда называют химической суффозией в отличие от рассмотренной выше механической суффозии. Среди горных пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидритами и известняками, но скорость растворения у них различная. Так, если для растворения одной части каменной соли достаточно трех частей воды, то для гипса нужно уже 480 частей, а для известняков - от 1000 до 30 000 частей воды, а это означает, что в природных условиях процесс карстования массивов этих пород растягивается на очень многие годы. Растворяющее действие воды на карбонатные породы усиливается под действием свободной углекислоты, а гипс сильнее растворяется солоноватыми водами, тогда как соли интенсивнее растворяются в слабоминерализованной воде и тем сильнее, чем она по составу ближе к дистиллированной. Помимо этого растворяющее действие воды связано с повышенными температурой, скоростью движения и с наличием трещин в карстующихся породах. Очень большое влияние на развитие карстовых процессов оказывает климат, т. е. количество и распределение атмосферных осадков по сезонам года, тепловые характеристики горных карстующихся пород, так, например, на Урале до 50 % карбонатных солей выносится водами весной.

Процесс растворения наиболее активно протекает в породах, расположенных выше уровня подземных вод. Ниже этого уровня воды уже могут быть насыщены солями, скорость движения воды весьма невелика и карстовый процесс происходит очень медленно либо вообще не происходит и, более того, трещины в горных породах здесь могут цементироваться различными веществами, которые переносятся подземными водами. В связи с этим в массивах карстующихся пород выделяют две зоны: верхнюю, где в основном происходит растворение, и нижнюю, которую называют зоной цементации (рис. 77). В геологическом отношении различают два типа карста: открытый (средиземноморский), при котором растворимые породы лежат на поверхности земли, и закрытый (восточно-европейский), когда массивы карстующихся пород перекрыты нерастворимыми породами, как правило, четвертичного возраста.

Следует отметить, что под карстом часто понимают не только процесс, но и его результат, т. е. специфические формы, образующиеся в породах в результате растворения. Сам термин «карст» происходит от одноименного названия известкового плато Карст в Словенских Альпах, где карстовые формы выражены очень широко и наиболее ярко. Для открытого типа карста характерны такие формы, как карры, воронки, полья, а для закрытого типа - каверны и пещеры.

Рис. 77.

/-зона развития пустот; II - зона цементации; / - атмосферные воды; 2-суглинки

Карры - мелкие борозды и канавы на склонах рельефа, образованные в основном выщелачиванием известняков поверхностными атмосферными водами. Глубина их изменяется от 5 до 50 см и редко достигает 1-2 м.

Воронки - замкнутые углубления различных форм и размеров. Их диаметр колеблется от нескольких метров до десятков метров, а глубина чаще всего изменяется в пределах 5-20 м. По происхождению они подразделяются: 1) на воронки поверхностного выщелачивания;

2) провальные воронки. Первые напоминают воронку от взрыва снаряда или бомбы и образуются за счет выщелачивания карстующихся пород атмосферными водами на отдельных участках с постепенным углублением. Обычно на дне таких воронок располагается понор - канал, по которому уходит вода. Провальные воронки возникают в результате обрушения кровли подземных карстовых пустот, например пещер.

Полья - воронки неправильной, обычно вытянутой формы, образующиеся в результате объединения поверхностных или, реже, провальных карстовых воронок. Полья могут простираться на десятки и сотни метров при глубине в несколько метров.

Каверны - мелкие, но многочисленные подземные пустоты, которые образуются по трещинам пород, где активно фильтруется вода. Породы становятся похожими на пчелиные соты. Каверны соединяются друг с другом и другими пустотами за счет токов воды.

Пещеры - крупные подземные пустоты различных форм и размеров, как по площади, так и по высоте потолков. Наиболее крупная пещера в Северной Америке (Мамонтова), которая со всеми ответвлениями имеет общую длину до 341 км. Площадь одного из залов 163 х 87 м при высоте потолка 40 м, в ней текут три реки и действует 8 водопадов. На Кавказе (Новый Афон) имеется пещера с высотой потолка 70 м. Вполне очевидно, что время образования таких пустот измеряется тысячелетиями. Пещеры могут располагаться в несколько этажей, как, например, в Жигулевских горах, и почти всегда сообщаются друг с другом.

Интересно отметить, что для карстовых районов характерно исчезновение рек. Вода уходит по карстовым каналам под землю, протекает там в виде подземной реки и где-то снова выходит на поверхность, например, р. Неретва на Балканах четырежды уходит под землю и появляется вновь. Карстовые процессы могут проникать глубоко под землю, так отмечены случаи, когда они наблюдаются на глубине до 1300 м (Средняя Азия).

Строительство автодорог и аэродромов в карстовых районах сопряжено с большими трудностями, так как карстующиеся породы являются ненадежным основанием. Пустотность массива снижает прочность и устойчивость пород. Развитие карстовых пустот может вызывать осадки и провалы поверхности земли, что ведет к разрушению конструкций различных объектов. При поиске путей для трасс автодорог и выбора места под аэродромы следует особо тщательно выполнять инженерно-геологические изыскания. При изысканиях необходимо:

1) устанавливать, имеют ли место карстовые процессы или они отсутствуют;
2) при наличии в основаниях будущих сооружений карстующихся пород определять тип карста: активный (действующий) или пассивный (древний, прекративший развитие).

При активном карсте продолжают расти пустоты как на поверхности земли, так и в глубине толщ пород, трещины в породах открытые, по ним постоянно циркулирует вода, растительность (кусты, деревья) отсутствует. При пассивном карсте пустоты заполнены песчано-глинистым материалом, циркуляция воды отсутствует, поверхность часто задернована и покрыта растительностью. Карст уже прекратил свое развитие, пустотность не возрастает, но в целом прочность существенно закарстованных пород значительно ослаблена и при строительстве объектов они требуют определенного упрочнения.

При прокладке трасс автодорог и поиске мест под аэродромы участки с активным карстом лучше всего оставлять в стороне. Особенно это касается аэродромов и высококлассных дорог. При необходимости пересекать дорогами участки активного карста следует осуществлять определенные меры по борьбе с пустотностью:

1) прекращать поступление поверхностных вод в толщи пород (планировкой, ливнеотводами, укладкой глины на поверхность земли);
2) останавливать дренажами движение подземных вод;
3) укреплять породы заполнением пустот цементом, жидкой глиной и т. д. Рекомендуется также пораженные карстом участки пересекать эстакадами с опорами на прочные породы.

Инженерно-геологические работы на карстовых участках представляют собой известную сложность. Изыскания проводят как по площади, так и по глубине. Буровые скважины не дают полной картины пустотности грунтовых массивов и поэтому в состав работ должны входить геофизические методы разведки. По итогам изысканий определяют степень закарстованности участка и дают прогноз возможного дальнейшего развития карста. В инженерно-геологическом отчете для изученного участка предлагают комплекс мероприятий по борьбе с карстом и оптимальный вариант проведения трассы автомобильной дороги.

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:

когда современный базис коррозии повышается;
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;
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:

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

Разрушения поверхности происходят в результате:

растворения атмосферными водами выходящих на поверхность растворимых пород;
проникновения по трещинам поверхностных вод и сноса их потоками почвы и рыхлых пород в подземные карстовые пустоты;
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:

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.
Изучать карст надо в связи с условиями циркуляции подземных вод, их питания и выхода на поверхность, а также геоморфологическими и историко-геологическими условиями местности.
Изучать карст надо в процессе его возникновения и роста, затухания и возобновления, омоложения.
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