Лекция №3

КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Карст представляет собой процесс растворения, или выщелачивания, трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в глубине. Впервые такие широко развитые процессы детально были изучены на побережье Адриатического моря на плато Карст близ Триеста, откуда получили свое название. К растворимым породам относятся соли, гипс, известняк, доломит, мел. В соответствии с этим развит соляной, гипсовый и карбонатный карст. Наиболее изучен карбонатный карст, что связано со значительным площадным распространением известняков, доломитов, мела. Необходимыми условиями развития карста являются: 1) наличие растворимых пород; 2) трещиноватость пород, обеспечивающая проникновение воды; 3) растворяющая способность воды. Наибольшее разнообразие карстовых форм наблюдается в открытом типе карста (горные районы известнякового плато Крыма, Кавказа, Карпат, Альп и др.). В этих районах развитию карста благоприятствуют открытая поверхность растворимых пород и частые ливни.

Поверхностные формы в открытом типе карста подробно описаны в общей геоморфологии, здесь же остановимся лишь на кратком их перечислении и рассмотрим гидродинамические зоны в карстовом массиве. К поверхностным карстовым формам относятся: 1) карры, или шратты, небольшие углубления в виде рытвин и борозд глубиной от нескольких сантиметров до 1 - 2 м; 2) поноры — вертикальные или наклонные отверстия, уходящие в глубину и поглощающие поверхностные воды; 3) карстовые воронки, имеющие наибольшее распространение как в горных районах, так и на равнинах. Среди них по условиям развития выделяются; а) воронки поверхностного выщелачивания, связанные с растворяющей деятельностью поверхностных вод; б) воронки провальные, образующиеся путем обрушения сводов подземных карстовых полостей; 4) крупные карстовые котловины, на дне которых могут развиваться карстовые воронки; 5) наиболее крупные карстовые формы - полья, хорошо известные в Югославии и в других районах; 6) карстовые колодцы и шахты, достигающие местами глубин свыше 1000 м и являющиеся как бы переходными к подземным карстовым формам.

К подземным карстовым формам относятся различные каналы, и пещеры. Самыми крупными подземными формами являются карстовые пещеры, представляющие систему горизонтальных или. несколько наклонных каналов, часто сложно ветвящихся и образующих огромные залы или гроты. Такая неровность в очертаниях, по-видимому, обусловлена характером сложной трещиноватости пород, а возможно, и неоднородностью последних. На дне ряда пещер много озер, по другим пещерам протекают подземные водотоки (реки), которые при движении производят не только химическое воздействие (выщелачивание), но и размыв (эрозию). Наличие постоянных водных потоков в пещерах нередко связано с поглощением поверхностного речного стока. В карстовых массивах известны исчезающие реки (частично или полностью), периодически исчезающие озера.

Отложения в пещерах представлены несколькими генетически типами: 1) нерастворимые продукты, или остаточные (от растворения образования — терра~росса; 2) обвальные накопления - продукт обрушения сводов карстовых полостей; 3) аллювиальные осадки, образующиеся подземными реками; 4) озерные осадки; 5) хемогенные образования - известковый туф (травертин) и 6) натечные формы сталактиты, растущие от кровли пещеры вниз, и сталагмиты, растущие вверх. Известны также ледяные пещеры, в которых накапливаются разнообразные формы льда.

Покрытый карст отличается от открытого тем, что закарстованные породы перекрыты нерастворимыми или слабо растворимыми горными породами. Формы поверхностного выщелачивания здесь отсутствуют и процесс протекает в глубине. В большинстве случаев здесь на поверхности образуются карстовые суффозионные (лат. «суффозио» — подкапывание) блюдцеобразные и воронкообразные формы а также неглубокие поноры. На контакте с закарстованными породами происходит процесс перемещения материала покрывающих пород в ниже расположенные карстовые полости, в результате чего и образуются такие формы, которые Ф. П. Саваренский называл воронками просасывания. Но в ряде случаев карстово-суффозионные провальные воронки и шахты развиваются над подземными каналами и пещерами.

Степень и характер закарстованности массивов растворимых пород зависят от гидродинамических условий. По характеру движения и режима подземных вод Д. С. Соколов выделяет следующие гидродинамические зоны:

I - зона аэрации, где ocуществляется главным образом нисходящее движение инфильтрационных и инфлюационных (лат. «инфлюацио» - втекание) вод, с которыми связано формирование поверхностных карстовых форм;

II - сезонного колебания уровня трещинно-карстовых вод. При высоком стоянии уровня в этой зоне происходит горизонтальное движение воды, при низком - вертикальное, в соответствии с чем осуществляется направленное выщелачивание карстующихся пород;

III - зона полного насыщения, находящаяся в сфере дренирующего воздействия местной гидрографической сети, прорезающей массив карстующихся пород. Эта зона имеет наибольшее значение в развитии подземных карстовых пещер и каналов.

Но в придолинных участках образуются не только пещеры и каналы, направленные по пути движения подземных вод к руслам рек. Во многих речных долинах бурением и геофизическими методами обнаружено наличие крупных карстовых полостей значительно ниже ложа, что связано с разгрузкой подруслового потока подземных вод. Местами выражена этажность карстовых пещер. Как было сказано ранее, наблюдаются определенные направленность и цикличность развития речных долин, находящие выражение в наличии надпойменных террас. Каждая из них соответствует длительному эрозионно-аккумулятивному циклу в развитии речной долины. С такими террасами, расположенными на разных высотах коррелируются (лат. «корреляцио» — соотношение) карстовые пещеры. Зная возраст террас, можно приближенно оценить время формирования пещер.

При оценке степени закарстованности массива важно знать историю геологического развития района. Известны несколько возрастных генераций карста, соответствующих длительным этапам континентального развития, в течение которых происходило активное эрозионное расчленение, формирование речных долин и связанных ними подземных вод и карстовых процессов. Яркий пример - юрский карст Москвы и Подмосковья, где закарстованные каменно-угольные известняки покрыты юрскими отложениями. Интенсивный карстовый процесс протекал в течение двух предшествующих периодов (пермского и триасового) до трансгрессии юрского моря. Гидрографическая сеть кайнозойского времени местами вскрывает каменноугольные закарстованные известняки, что вызывает оживление карстовых процессов, продолжающихся и поныне.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛАСТЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

1. Географическое распространение и районирование многолетнемерзлых горных пород.

2. Подземные льды криолитозоны.

3. Подземные воды криолитозоны.

4. Мерзлотно-теологические процессы в криолитозоне.

Хорошо известно, что поверхностные слои почв и грунтов подвергаются сезонному промерзанию зимой и оттаиванию в весеннее-летнее время. Закономерности промерзания и оттаивания и температурный режим этих слоев определяются условиями теплообмена на поверхности Земли, составом пород и их влажностью. Наибольшая глубина промерзания наблюдается в северных приполярных районах, наименьшая - в южных. Этот верхний слой периодического промерзания и оттаивания отличается большой динамичностью и называется деятельным слоем. Ниже его на обширных пространствах России, Северной Америки и Канады развиты многолетнемерзлые горные породы (ММП). В России они занимают свыше 50% площади.

Современное соотношение деятельного слоя с ММП различно. В северных районах наблюдаются сливающиеся мерзлые толщи, в южных районах – не сливающиеся. Зону распространения ММП называют мерзлой зоной литосферы или криолитозоной (греч. «криос» - холод). Соответственно и наука, изучающая криолитозону и процессы, связанные с ней, называется геокриологией или мерзлотоведением. Основы этой науки были заложены М.И. Сумгиным, особенно широкое развитие она получила в последние три десятилетия и на ее основе решались и решаются важнейшие народохозяйственные задачи: развитие горнодобывающей промышленности; строительство железных и шоссейных дорог, промышленных и жилых сооружений. Все это поставило перед наукой задачу всестороннего изучения ММП, геологических процессов, связанных с ними, и оценки их влияния на различные возводимые сооружения, объекты эксплуатации полезных ископаемых и др.

1. В процессе обобщения данных о строении ММП в отдельные этапы исследований различными авторами составлялись специальные мелкомасштабные карты районирования, на которых выделяются две криолитозоны: 1) субаэральная (субконтинентальная), развитая на континенте, и 2) субмаринная, охватывающая шельфовые области, примыкающие к суше северных морей и Северного Ледовитого океана. Наиболее распространенным является субаэральный тип криолитозоны, охватывающий север европейской части России, Западную и Среднюю Сибирь, Северо-восток и Дальний Восток, Прибайкалье и Забайкалье, а также высокогорные районы. За южную границу распространения ММП принята граница, где горные породы имеют нулевую температуру на подошве слоя годовых колебаний. Наибольшей неоднородностью и динамичностью отличается южная зона, в которой отсутствует сплошная мерзлота, представленная в виде островов различных размеров, разделенных талыми породами. Самая южная часть представляет зону редкоостровного распространения ММП, занимающих от 5 до 30% площади. К северу за ней следует зона островного распространения ММП, где острова ММП занимают уже от 40 до 60% выделенной площади. Далее она переходит в зону массивноостровного и прерывистого распространения ММП, занимающих до 70—80% площади с островами талых вод.

Таким образом, при движении с юга на север крупность массивов ММП увеличивается, одновременно возрастает и их мощность от 5-15 м в редкоостровной зоне до 100 м и более в массивноостровной и прерывистой. В этом же направлении происходит понижение среднегодовых колебаний температур и уменьшение межостровных таликов.

Севернее описанной островной зоны располагается зона сплошного распространения ММП, занимающая наибольшие площади и характеризующаяся увеличенной мощностью от 100-200 до 700-900 м, а местами до 1000-1500 м. По мере продвижения к северу, постепенно снижается и температура среднегодовых колебаний, достигая -10, -15°С на побережье моря Лаптевых и арктических островах. В зоне сплошной мерзлоты сквозные и несквозные талики наблюдаются только под крупными реками и водоемами. На юге Западно-Сибирской низменности и на крайнем северо-востоке европейской части России выделяется реликтовая криолитозона на глубинах 100-200 м и мощностью - 100-200 м и более.

В горных районах распространение ММП подчиняется вертикальной зональности и характеризуется увеличением мощности с ввысотой гор (от 100 до 1000 м и более). В субмаринной криолитозоне наибольшее распространение имеет островная и прерывистая мерзлота мощностью 0-100 м, в меньшей степени - сплошная мощностью 100-400 м.

2. Подземными льдами называют все виды льда в мерзлых породах, вне зависимости от их образования, размеров и условий залегания. С их формированием связаны многие геокриогенные процессы. По данным В.А.Кудрявцева, Н. Н. Романовского и других исследователей льды, формирующиеся в горных породах, могут быть подразделены на четыре основные группы.

1. Погребенный лед, образующийся при захоронении снежников и подземных льдов.

2. Повторно-жильный лед, образующийся при неоднократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин, захватывающих как деятельный слой, так и ММП. Глубина таких жил различна - от 0,5-1 до 30-40 м, а ширина в верхней части до 8-10 м и более.

3. Инъекционный лед, возникающий в результате замерзания подземной воды, внедряющейся в толщу мерзлых дисперсных пород.

4. Конституционный лед, образующийся главным образом при промерзании влажных дисперсных пород. Он подразделяется на: лед-цемент - мелкие кристаллы льда, заполняющие поры и небольшие трещинки во влажных породах при их замерзании, и сегрегационный (лат. «сегрегаре» - отделять), или миграционный лед, образующийся при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. В результате образуются ледяные шлиры (нитевидные включения), небольшие гнезда, линзовидные прослойки.

3. Подземные воды в своем распространении тесно связаны с пространственным положением ММП, являющихся водоупором. Одна из первых классификаций подземных вод криолитозоны была предложена Н. И. Толстихиным. Последующие исследования внесли в указанную классификацию уточнения и дополнения. Схема различных категорий подземных вод по отношению к мерзлым породам, была предложена Н. Романовским. В ней выделяются:

1) надмерзлотные воды сезонноталого слоя,

2) надмерзлотные воды несквозных таликов,

3) воды сквозных таликов,

4) подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды сезонноталого слоя образуются при оттаивании верхней части пород в летне-осеннее время. Основное питание их происходит за счет атмосферных осадков. Их движение происходит в соответствии с уклоном поверхности Земли с наиболее приподнятых и расчлененных участков к пониженным. На плоских поверхностях движение или очень замедлено, или совсем отсутствует. По составу это преимущественно пресные гидрокарбонатные воды.

К надмерзлотным водам несквозных таликов относятся подозерные, подрусловые и прирусловые пойменные несквозные талики, существующие благодаря отепляющему воздействию водоемов и водотоков. Особое значение имеют подрусловые талые воды, приуроченные к руслам рек и ручьев. Чем больше речной поток, тем шире и мощнее подрусловой талик. Питание этих вод происходит главным образом за счет инфильтрации атмосферных осадков и частично речных вод, вследствие чего они слабо минерализованы. Подрусловые талые воды движутся вдоль долины реки и имеют сток в течение года. Кроме того, в них местами происходит питание и разгрузка глубинных вод. Таким образом, с подрусловыми таликами связаны основные запасы грунтовых вод, что имеет важное значение для целей водоснабжения, особенно в северной части геокриологической зоны. Прирусловые пойменные талики приурочены к прирусловым отмелям, косам, нижним частям пойм, испытывающим временное отепляющее воздействие во время половодий. Поверхностный сток в них является периодическим. Воды подозерных несквозных таликов характеризуются застойным режимом и в некоторых из них наблюдается сероводородное заражение.

Воды сквозных таликов. Среди них выделяются: 1) инфильтрационные талики, имеющие нисходящее движение и образующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков инфлюации (втекания) поверхностных вод по зонам разрывных тонических нарушений или карстовым каналам. Эти воды питают подземные воды глубокого стока (подмерзлотные и межмерзлотные); 2) напорно-фильтрационные талики, подземные воды которых обладают напором и характеризуются восходящим направлением движения. К таким таликам местами происходит разгрузка глубоких подмерзлотных и межмерзлотных вод.

Подмерзлотные воды, располагающиеся непосредственно у подошвы многолетнемерзлых пород, называются контактирующими. Они приурочены к различным по составу и проницаемости горным породам и всегда обладают напором. Местами вскрытые буровыми скважинами подмерзлотные воды фонтанируют. Глубины залегания их различна, что обусловлено мощностью ММП, которые являются криогенным водоупором. Температура их также неодинакова. Среди них выделяются воды с положительной и отрицательной температурами. По степени минерализации воды с положительной температурой (>0°С) - пресные и солоноватые. С отрицательной температурой - воды соленые и рассолы. Такие высокоминерализованные воды называют криогалинными или криопэгами. Местами они достигают значительной мощности, как бы наращивая снизу криолитозону. Помимо контактирующих подмерзлотных вод выделяются неконтактирующие, т.е. отделенные от подошвы мерзлой толщи водонепроницаемыми породами. Такие воды в большинстве случаев обладают напором, что подтверждается данными скважин.

В южных районах криолитозоны (при островном расположении ММП) неконтактирующие подземные воды отделены от подошвы мерзлой зоны водопроницаемыми породами, имеют ненапорный свободный уровень и связаны в единую систему с таликами, разделяющими мерзлые острова.

Межмерзлотные и внутримерзлотные воды наблюдаются в слоях, линзах и других формах, ограниченных ММП или сверху и снизу, или с бортов, в условиях поступления вод глубинного стока. Межмерзлотные воды обычно имеют гидравлическую связь с другими типами вод криолитозоны. Внутримерзлотные воды ограничены ММП со всех сторон и не связаны с другими типами вод. Межмерзлотные водоносные линзы образуются под обмелевшими и осушенными озерами.

4. В зоне ММП наблюдается целый ряд геологических процессов.

Повторно-жильные льды формируются в северной геокриологической зоне, где низкие температуры и небольшая мощность сезонноталого слоя, и достигают местами большой ширины и глубины по вертикали. Их развитие связано с морозобойными трещинами, образующими системы полигонов различной размерности и формы - тетрагональной (греч. «тетрагон» - четырехугольный) в однородных породах и неправильной - в разнородных. Основы современных представлений о развитии ледяных жил заложены работами Б. Н, Достовалова, А. И. Попова и др. Необходимыми условиями для образования повторно-жильных льдов являются:

1) многократное возникновение морозобойных трещин, проникающих в толщу ММП, глубже границы сезонного протаивания;

2) соответствующее многократное заполнение трещин льдом;

3) наличие достаточно пластичных или способных к уплотнению горных пород.

При этом выделяются дваа типа роста жил: 1) эпигенетический, т.е. образующийся в пределах уже сформировавшихся горных пород; 2) сингенетический, т.е. формирующийся одновременно с накоплением осадков. Это могут быть пойменный аллювиальные, делювиальные, болотные и другие отложения. В первом случае ледяные жилки образуются при последовательных годовых циклах растрескивания и заполнения трещин льдом. При этом рост жил происходит главным образом в ширину, величина которой определяется условиями возможного напряжения сжатия расклинивающихся пород. Во втором случае, соответствующем сингенетическому росту, каждая последующая вклинивающаяся жила льда не доходит до конца предыдущей на величину, равную накоплению осадка за год. По мере накопления осадка увеличивается вертикальная мощность повторно-жильного льда.

С разных точек зрения представляют интерес псевдоморфозы по ледяным жилам. При вытаивании ледяных жил образуются клиновидные полости, в которые происходит опускание, обрушение отложений, слагающих борта и кровлю трещин, испытывающих смятие, различные изгибы. Возникают своеобразные текстуры, называемые инволюииями (лат. «инволюцион» - изгиб, завиток) или криотурбациями. Такие псевдоморфозы встречены в ряде мест в четвертичных отложениях европейской части России и горных районах.

Морозное пучение характерно для различных районов криолитозоны, хотя развито неравномерно вследствие локальных особенностей состава, строения и свойств пород. Небольшие бугры пучения могут возникать непосредственно за счет увеличения объема замерзающей воды в грунте. Но большие величины имеют миграционные бугры, когда к фронту промерзания мигрируют новые объемы воды из нижележащей талой части грунта, что сопровождается интенсивным сегрегационным льдообразованием (шлировым и линзовидным). Часто это бывает связано с торфяниками, к которым при промерзании мигрирует влага из пород со значительно большей влажностью. Такие бугры наблюдались А. И. Поповым в Западной Сибири.

Инъекционные бугры пучения образуются в условиях закрытой системы. Среди них выделяются бугры, возникающие в результате промерзания подозерных таликов и носящие якутское название «булгунняхи». К инъекционным буграм относятся также гидролакколиты (по сходству с лакколитами - одной из форм внедрения магмы в земную кору). Их формирование связано с внедрением различного типа трещинно-жильных вод. При этом образуется ледяное ядро, залегающее обычно на некоторой глубине от поверхности и приподнимающее кровлю. Такие многолетние гидролакколиты могут достигать высоты 10 м и более при ширине в десятки метров.

В криолитозоне развиты также мелкополигональные структурные формы, связанные с растрескиванием грунта на мелкие полигоны, неравномерным промерзанием сезонно-талого слоя и развитием в закрытых системах напряжений, а часто и разрывов. Среди таких мелкополигональных структур можно назвать пятна-недальоны в дисперсных грунтах. При промерзании сверху и по ^трещинам внутри полигона создается гидростатическое давление, происходит прорыв разжиженного грунта верхней мерзлотной корки и растекание по поверхности. Вторым типом полигонально-структурных форм являются каменные кольца и многоугольники. Это происходит в неоднородных по составу рыхлых породах, содержащих включения каменных обломков (щебня, гальки, валунов). В результате многократного промерзания и протаивания происходит «вымораживание» из породы крупного обломочного материала на поверхность и его перемещение в сторону пониженных трещинных зон, с образованием каменных бордюров. Процесс вымораживания крупного обломочного материала на поверхность подтверждается и строительной практикой в условиях развития ММП. Хорошо известны случаи строительства некоторых сооружений на сваях, установленных в сезонноталом слое. Со временем происходило «вымораживание свай, что, естественно, вызывало деформации сооружений.

К склоновым процессам в областях развития многолетней мерзлоты относятся два типа: 1) солифлюкция (лат. «солюм» - почва, грунт и «флюксус» - течь) и 2) курумы (каменные потоки. Под солифлюкцией понимается медленное течение по склону рыхлых сильно переувлажненных дисперсных отложений. При сезонном протаивании льдонасыщенных дисперсных грунтов сезонно-талого слоя они сильно переувлажняются талыми и дождевыми водами, утрачивают структурные связи, переходят в вязкопластическое состояние и медленно перемещаются вниз по склону. Taким путем образуются натечные формы в виде языков, солифлюкционных террас. Курумы представляют каменные подвижные россыпи в горах и плоскогорьях Восточной Сибири и других районов, где близко к поверхности подходят скальные породы. Образование обломочного материала курумов связано с морозным выветриванием при периодическом сезонном промерзании и оттаивании и с другими процессами. Курумы местами образуют сплошные каменные поля (размерами от первых сотен квадратных метров до нескольких десятков квадратных километров). Местами они являются истоками курумных (каменных) потоков, движущихся по склонам, часто по днищам небольших логов и ложбин. Такие линейные курумы, по данным Е.Н. Оспенникова, Н.И. Труш, протягиваются местами на расстояния до 1-1,5 км и более. Движения курумов по склонам связывают с гольцовым льдом, который образуется при замерзании воды, проникающей в пустоты. Кроме того, в основании каменных курумов может находиться тонкий супесчано-суглинистый материал, переувлажняющийся при оттаивании гольцового льда и движущийся вниз.

Примеры деградации мерзлоты. Одним из наиболее известных и изученных примеров является термокарст, или термический карст. Такое название получил процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся просадками поверхности земли, образованием западин, неглубоких термокарстовых озер, под которыми мо возникнуть подозерные талики (вследствие отепляющего воздействия воды озер). Термокарстовые процессы бывают связаны или с потеплением климата, или с нарушением существующих естественных условий (рытье каналов, вырубка леса и др.). Формы термокарстового рельефа различны (от мелких западин до крупных котловин), что зависит от того, какие типы подземных льдов и льдистых отложений подвергаются оттаиванию. Так, например, термокарст по отложениям с мощными повторно-жильными льдами, по данным В. А. Кудрявцева, приводит к бразованию достаточно глубоких (от 3 - 6 до 10 - 20 м) термокарстовых озер, при миграции или осушении их образуются аласные котловины, разделенные буграми останцовых пород, которые вмещали вытаявшие ледяные жилы. Такие остаточные бугры называют байджерахами. Другими примерами деградации мерзлоты являются термоабразия на берегах озер и морен и термоэрозия движущимися водами и отепляющим их воздействием.

Исследованиями ряда ученых в бассейне р. Колымы установлено, что следы многолетнего промерзания встречаются в отложениях плиоцена (1,8-2,4 млн. лет). Сходные данные получены зарубежными учеными на территории Канады. Возможно, что мерзлые толщи с ледяными жилами на Колыме, существовавшие в плиоцене, в последующем протаяли. Вместе с тем, в районе Колымы в отложениях раннего плейстоцена (700-360 тыс. лет) было обнаружено несомненное непрерывное существование многолетней мерзлоты. В Центральной Якутии Е. М. Катасоновым было установлено непрерывное существование мерзлых пород среднего плейстоцена. Такие данные имеются и для позднего плейстона. Однако следует отметить сложность и изменчивость климатических условий в плейстоцене, которая периодически сказывалась на развитии мерзлоты. Эти изменения связаны с тектоническими причинами, вызывавшими увеличение площади суши и уменьшение акватории Мирового океана, и с неоднократными оледенениями и межледниковьями. Происходила периодическая смена резкого похолодания с потеплением, сопровождавшимся повышенной влажностью. При периодическом потеплении климата происходила частая деградация ММП, особенно в южных районах, а при похолодании климата, наоборот, аградация (лат. «аградацио» - поступление, увеличение) ММП.