7. Оцінка активізації карстово-суфозійних процесів

Інтенсифікація карстово-суфозійних процесів відбувається при експлуатації тріщинно-карстових водоносних горизонтів. На ділян­ках, де породи, що карстуються, перекриті незцементованими піща­но-глинистими породами, це призводить до утворення провалів і де­формації денної поверхні. Провальні явища можуть бути пов'язані і з впливом механічної суфозії твердих часток породи по тріщинах із карстових порожнин, заповнених вторинними утвореннями (напр., доломітового борошна з порожнин палеокарсту). Механічне винесен­ня піщано-глинистих порід може відбуватися й із пластів, які пере­кривають породи, що карстуються. Посилення карстоутворення по­в'язано з розширенням існуючих тріщин і карстових порожнин за рахунок розчинення карбонатних порід під впливом інтенсифікації карстового процесу або його відновлення внаслідок посилення швид­кості руху підземних вод і надходження до пласта вод з підвищеною розчинною спроможністю із сучасних областей живлення.

Надійний кількісний прогноз інтенсифікації карстово-суфозійного процесу та його конкретних наслідків за даними розвідувальних робіт у наш час зробити не можна. Проте можна принципово оцінити ймо­вірність і масштаб можливої активізації цих процесів під впливом експлуатації.

Порівняно з карстоутворенням суфозійні процеси розвиваються значно інтенсивніше. Масштаби механічної суфозії можна оцінити експериментально за виносом твердого стоку. Це завдання можна наближено вирішити на основі детального вивчення складу заповнювача карстових порожнин і тріщин, а також порід, що покривають карст, величини і складу твердого стоку з виділенням у ньому карбо­натної складової.

Слід мати на увазі, що хоча суфозійний винос значно інтенсивніший, ніж винос розчиненого карбонату, сам процес суфозії інтенси­фікується під впливом активізації карстового процесу.

Досить ефективно прогнозування активності карсту може бути ви­конано за матеріалами вивчення ізотопів карбонатної системи підзе­мних вод за методикою В. Полякова.

Згідно з цією методикою процес карстування масивів карбонатних порід у загальному вигляді можна представити як розчинення каль­циту і доломіту під дією агресивної вуглекислоти. У загальному вигля­ді цей процес описується найпростішим хімічним рівнянням

CaCO3+^*CO2+H2O=Ca – H^* CO3

HCO3

де СО2- біогенний вуглекислий газ, з яким пов'язана радіоактивність вуглецю ¹⁴С.

У природних умовах генерація вуглекислого газу відбувається, го­ловним чином, у ґрунтовому шарі за рахунок кореневого дихання ро­слин і мікробіологічної діяльності. Інтенсивність виносу порівняно добре розчинного гідрокарбонату кальцію, у свою чергу, є функцією інтенсивності водообміну. Безумовно, на інтенсивність карстування карбонатних порід, окрім динаміки підземних вод, впливають літоло­гічні особливості порід, температура, хімічний склад та іонна сила розчину й інші фактори; однак їхній вплив також пов'язаний з дина­мічністю підземних вод.

Як відомо, карбонатні породи і біогенний вуглекислий газ значно від­різняються за ізотопним складом вуглецю. У карбонатних породах мор­ського генезису середнє значення 5^ІЗС близьке до нуля. Вміст 5^ІЗС у прісноводних карбонатах у середньому становить 11°/оо, 5¹³С біогенно­го (ґрунтового) вуглекислого газу дорівнює 25°/оо. Таким чином, розчи­нені карбонатні компоненти відповідно до рівняння повинні мати характерні ізотопні позначки, які дозволяють визначити частку НСОз, що утворилася в результаті розчинення карбонатних порід.

Якщо збільшення вмісту карбонатних компонентів у воді в умовах підземної циркуляції відбувається в результаті розчинення карбонат­них порід, то, маючи дані про відносний вміст ізотопів 5^ІЗС в карбо­натних породах (5¹³С_КГ1), у розчинених карбонатах підземних вод (8¹³С_рк) і в ґрунтовому вуглекислому газі (5^ІЗС_СОі), можна визначити

частку карбонатних компонентів у підземних водах, пов'язаних із карбонатними породами. Відносний вміст ^ІЗС визначається як від­ношення різниці між вмістом ¹³С і загальним вмістом вуглецю у від­повідному середовищі до цього загального вмісту.

Якщо взяти, що водоносний горизонт, приурочений до вапняків морського генезису, де 5¹³С„ = 0, і врахувати фракціонування ізото­пів ¹³С при розчиненні СО2 з утворенням гідрокарбонат-іонів, то за­лежність, яка зв'язує концентрацію карбонатів, що сформувалися при розчиненні карбонатних порід (М), із загальною концентрацією кар­бонатних компонентів (Н2СО3, НСОз, СОз) у досліджуваній воді (Щ матиме таку форму:

1.

ітенсивність виносу карбонатних компонентів з масиву карбона­тних порід, а, отже, інтенсивність карстових процесів буде значною мірою визначатися і часом перебування води (т) в масиві порід, що вивчається. Цей час залежить від величини ємнісних (У_с) динамічних (О_д) запасів підземних вод та їхніх динамічних ресурсів :

τ = Vє/Qд 2.

Частку карбонатної складової у твердому стокові можна визначити шляхом розчинення карбонатних часток 20 % соляною кислотою при нагріванні впродовж ЗО хв.

Таким чином, для реалізації розглянутого методу в процесі відкачу­вання або експлуатації необхідно періодично відбирати проби для визначення величини твердого стоку і вивчення карбонатних складо­вих підземних вод, у тому числі їхніх ізотопних компонентів.

Враховуючи повільний розвиток карстового процесу, час і масшта­би пошуково-розвідувальних досліджень можуть виявитися недостат­німи навіть для часткового заміщення ємнісних запасів у районі до­слідного куща свердловин молодими агресивними водами, що надхо­дять з областей живлення.

У цьому випадку доцільно вивчити склад карбонатних порід і кар­бонатну систему підземних вод на родовищі і дати прогноз можливого розвитку карстового процесу шляхом зіставлення величини к за да­ними по експлуатованому родовишу-аналогу.

За відсутності даних про ізотопний склад карбонатної системи під­земних вод попередні якісні висновки про можливість розвитку карс­тового процесу можуть бути отримані класичними методами, що ґру­нтуються на вивченні розчинності карбонатних порід і розчинної здатності підземних вод.

Під час оцінки можливості інтенсифікації суфозійного виносу за­повнювача з карстових порід особливу увагу слід звертати на поло­ження рівня ґрунтових вод, намагаючись не допускати зниження йо­го нижче покрівлі цих порід.

8