12. Карст

Растворение и выщелачивание поверхностными и подземными водами известняков, доломитов, мела, мергелей, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей приводит к образованию своеобразных форм и явлений, называемых карстом. Карст проявляется в свойст­венных только ему формах рельефа, в образовании различного рода пустот в карстующихся породах и в формировании определенного типа подземных вод — карстовых вод с характерными особенно­стями движения, режима и химизма. В соответствии с типом растворимых пород различают карбонатный, сульфатный и соляной карст. В других породах карст образовываться не может.

На территории России, как и во всем мире, карст широко распро­странен в карбонатных породах докембрийского, палеозойского и ме­зозойского возраста. В пределах европейской части России карст наи­более детально изучен на территории Русской платформы. Установле­но, что в северо-западных и западных районах платформы он связан с палеозойскими карбонатными и сульфатно-карбонатными породами, а в восточных и южных — с карбонатными, гипсоносными и соленосными породами от палеозойского до кайнозойского возраста.

Карст выражается в поверхностных и подземных формах. Среди поверхностных наиболее характерными и широко распространен­ными явл-ся след элем карстового ландшафта: карры, воронки, слепые балки, карстовые желоба, котловины, понижения (полья), открытые гроты. Карры и карровые поля пред­ставляют чередующиеся борозды и гребни на обнаженной поверхно­сти ГП, образ-ся вследствие избирательного их вы­щелачивания дождевыми и талыми водами. Такое избирательное рас­творение обусловлено наличием трещин или послойным залеганием карбонатных пород разного состава. Воронки — самая характерная Форма карстового рельефа. По их числу часто судят об интенсивности карстового процесса. Иногда на площади 1 км² встречается до 100 воронок и более. Размеры одиночных воронок весьма разнообразны, они нередко достигают в поперечнике 50-100 м, а вглубине чаще 1—2 м. В интенсивно закарстованных районах воронки соединяться и образовывать вытянутую впадину — слепую долину, балку или желоб. Карстовые впадины больших размеров называют котловинами, а если они достигают размеров в десятки и даже сотни квадратных километров — польями.

Подземный карст встречается на разной глубине, и также в различных формах. Самыми мелкими из них являются каверны, диамерт кот обычно не превышает нескольких сантиметров. За счет постепенного выщелачивания каверны и трещины превращаются более крупные полости, каналы, галереи и пещеры переменного сечения, пронизывающие толщу пород в различных направлениях.

Условия зарождения и развития карстового процесса кратко сводятся к следующему: в любом карстовом районе должны залегать растворимые и водопроницаемые ГП, по поверхности или внутри кот движутся природные воды с определенной растворяющей способностью. Физико-химич взаимод-я в системе «растворимые породы – вода» на определенном этапе приводят к нарушению химич равновесия, что неизбежно вызывает возникновение и развитие коррозионного процесса и образование карста. С другой стороны, в результате весьма замедленного или даже отсутствующего движения воды (водообмена) происходит насыщение природных растворов компонентами растворения и возникает химическое равновесие в системе «вода-порода», что приводит к прекращению дальнейшего развития карстового коррозионного процесса. => движение воды и вынос продуктов растворения пород явл-ся необходимым условием непрерывного развития процесса карстообразования.

Интенсивность карстообразования зависит прежде всего от степени растворимости слагающих породу минералов, агрессивности или растворяющей способности природных вод и термодинамических условий окружающей среды. Карбонаты кальция и магния (породообразующие минералы известняков, доломитов, мела и др карбонатных пород) относятся к трудорастворимым соединениям. Их растворимость составляет всего десятки или сотни миллиграммов в литре, а для чистого каль­цита — 1 часть на 30 000 частей воды. Сульфат кальция – основной минерал гипсов и ангидритов - является среднерастворимым (2,1-2,6 г/л), и для его полного растворения необходимо довольно боль­шое количество свежей воды (1 часть гипса на 480 частей воды). К легкорастворимым относятся хлористые натрий и калий (320 г/л), из которых состоят каменная и калийная соли, наиболее быстрокарстующиеся породы, для растворения кот требуются небольшие объемы воды — на 1 часть соли 3 части воды. На рас­творимость минералов и пород в целом существенное влияние ока­зывает солевой и газовый состав природных вод, а также их общая минерализация. В частности, интенсивность развития карста в кар­бонатных и загипсованных породах значительно возрастает с повы­шением минерализации растворителя до определенной величины.

Агрессивность поверхностных и подземных вод по отношению к карбонатным породам обусловлена, присутствием в растворе свободной углекислоты, с повышением содержания кот происходит непрерывный рост растворимости кальцита. Это связано с тем, что с ростом содержания в водных растворах СO2 происходит увеличение содержания Н2С03, которая в результате химической ре­акции с твердой фазой карбонатов переводит их в раствор в форме гидрокарбонатов. Основными источниками углекислоты в природных растворах служат биохимические процессы в почвогрунтах, атмосфе­ра и недра Земли.

Для оценки интенсивности карстообразования на разных этапах геологической истории различных территорий предложено определять показатель активности карстового процесса А в процентах за тысячелетие: А = (v_A/V_A)100, где v_А — объем растворенной ГП выносимой подземными водами за 1000 лет; V_А—объем карстующихся пород в пределах района. Показатель активности карстового процесса служит также сравнительной характеристикой скорости развития карста на разных участках изучаемого района. По существующим оценкам А для карбонатного карста изменяется от 0,01 до 0,50%, а для гипсового карста составляет 1,7 % и более.

Степень закарстованности пород можно оценить также относительным объемом карстовых пустот в рассматриваемом объеме горных пород, или показателем закарстованности З (в процентах): 3 = (v₃/Vз)100, где v₃ — объем пустот в изучаемом объеме пород; Vз — объем порол с измеренным объемом пустот.

Показатели закарстованности пород 3 и активности карста А отличаются по смыслу. Показатель закарсто­ванности (скважности) характеризует пустотность карстового мас­сива в данный момент безотносительно ко времени ее образования, а показатель активности карста позволяет судить об интенсивности развития процесса карстообразования за определенный отрезок вре­мени.

Среди условаий и факторов, наиболее способствующих образованию карста или активизации этого процесса, следует выдедить: климат и рельеф изучаемой территории, петрограф особенности развитых здесь карстующих пород, условия их залегания, степень экзогенной и эндогенной трещиноватости, неотектонические движения и, главное, масштабы и интенсивность хозяйственной деятельности человека.

Горные породы	Коэф фильтрации, м/сут	Удельное водопоглощение, л/мин
Незакарстованные и нетрещиноватые, практически водоупорные	< 0,01	< 0,005
Слабозакарстованные и слаботрещиноватые, слабоводопроницаемые	0,1 – 1,0	0,05 – 0,5
Закарстованные и трещиноватые, водопроницаемые	1,0 – 10,0	0,5 – 15,0
Сильнозакарстованные и сильнотрещиноватые, сильноводопроницаемые	10,0 – 100,0	15,0 – 50,0

Характеристика горных пород по степени закарстованности и трещиноватости в соответствии с их водопроницаемостью.

Интенсивность коррозионного процесса зависит не только от степени растворимости карстующихся пород и термодинамических условий, но и от положения базиса коррозии, т. е. от глубины залегания зоны дренирования поверхностных и подземных карстовых вод, на нижнем уровне которой дальнейшее растворение и выщелачивание ГП практически прекращаются.

В разрезе карстующегося мас­сива выделяют следующие зоны по степени закарстованности гор­ных пород: 1 – зона высокой закарстованности пород, связанная с зоной аэрации со свойственными ей высокими скоростями нисходящих потоков агрессивных инфильтрационных и инфлюационных вод; 2 – средней закарстованности пород, приуроченных к верхним водоносным горизонтам в зоне дренирующего воздействия местной гидрографической сети; 3 - зона слабой закарстованности пород, связанная со сравнительно глубокими водоносными горизонтами с незначительными скоростями движения подземных карстовых вод в зоне влияния ре­гиональных дрен (крупных рек, озер, морей).

Распространение вертикальных зон с различной степенью закарстованности пород мо­жет нарушаться присутствием на опред глубине прослоев или горизонтов аномально высокой закарстованности пород, генетическая природа кот бывает различной — залегание высокорастворимых пород или их разновидностей, наличие зон с повышенной тектониче­ской или литогенетической трещиноватостью и т. д. => интенсивность развития карста в значительной степени связана с зонами тектонических нарушений. Кроме того, базисы коррозии и эрозии могут занимать различные гипсометрические от­метки, что приводит к формированию горизонтов или зон древнего, нередко погребенного карста. Горизонты древнего карста также на­рушают общую схему вертикальной зональности развития карстового процесса под влиянием современных условий и факторов.

Проекторивание и строительство сооружений на закарстованных породах, а также хозяйственное освоение карстовых районов должны основываться на результатах детальных инженерно-геологических исследований. При этом особое внимание следует уделять следующим вопросам: 1) состав и мощность перекрывающих отложений, глубина и особоенности залегания растворимых пород с учетом рельефа их поверхности; 2) мощность растворимых пород и степень их закарстованности с характеристикой пространственного расположения карстовых форм; 3) водопроницаемость и водообильность закарстованных форм, глубина залегания уровня карстовых вод и их напор; 4) интенсивность карстового процесса, причины и условия его развития; 5) обоснование рекомендуемых методов строительства сооружений и обеспечения их устойчивости на основании опыта эксплуатации зданий и инженерных объектов в изучаемом районе.

В результате инженерно-геологич исследов проводится районирование территории по степени ее устойчивости при хоз освоении и массовом строительстве (города, промзоны и т. д.) с учетом всего комплекса данных инженерно-геологической оценки. Для подобной оценки рекомендуется определять среднегодовое количество провалов на единицу площади и среднегодовую поражае-мость территории провалами.

Категория	Характеристика степени	Число провалов в год	Один провал на площади
территории	устойчивости территории	на площади 1 км2	1 км2 за время, годы
I II Ш	Очень неустойчивая Неустойчивая Недостаточно устойчивая	>1,0 0.1—1,0 0,05—0,1	1 1—10 10—20
IV	Пониженная устойчивость	0,01—0,05	20—100
V	Относительно устойчивая	<0,01	>100
VI	Устойчивая	Образование прова­лов исключается

Категории территорий по степени устойчивости в карстовых районах

При инженерно-геологическом районировании закарстованных территорий для массового строительства необходимо давать характеристику влияния карста на условия строительства сооружений: 1) территория устойчивая или относительно устойчивая, растворимые породы залегают на глубине более 10 м и перекрыты плотыми и устойчивыми породами. Карстовые формы и явления развиты слабо, среднегодовое число провалов на площади 1 км2 не превышает 0,01. Массовая застройка на таких территориях провлдится без учета из закарстованности. 2) Территория с пониженной устойчивостью, мощность покровных отложений недостаточна по сравнению с глубиной активной зоны проектируемых сооружений. Растворимые породы имеют повышенную закарстованность, среднегодовое число провалов на 1 км2 – 0.01-0.05, повторяемость их больше. На таких территориях рекомендуется строить здания не выше 5 этажей, а плотность жилой застройки не должна превышать 20 %. 3) Территория недостаточно устойчивая с повышенной закарстованностью пород, где провалы и оседания поверхности проявля­ются сравнительно часто, 0,05—0,1 раза в год на 1 км2. Мощность покровных отложений недостаточна для повышения устойчивости территории и сооружений. На таких территориях допускается плот­ность жилой застройки только до 10 %, а строительство зданий и сооружений высотой до 5 этажей проводится при специальном обосновании возможности их устойчивой эксплуатации. 4) Территория неустойчивая с высокой закарстованностью по­род, где провалы и оседания поверхности наблюдаются часто (0,1— 1 раз в год на 1 км2). Капитальное и массовое строительство на таких территориях не допускается. Опыт строительства на закарстованных территориях свидетельствует, что к наиболее эффективным противокарстовым мероприятиям относится: планировка территории с регулированием поверхностного стока; канализационное отведение сточных и ливневых вод; искусственное укрепление и уплотнение пород; дренаж и каптаж подземных вод; устройство противофильтрационных завес и др.