48. Гидродинамические зоны карста в отложениях платформенных областей; влияние тектонических нарушений и литолого-фациальной изменчивости пород.

Гидродинамическая зональность карста важна для понимания ис­тории его формирования, для оценки степени и распространения закарстованности массива и скорости процессов.

Гидродинамическая зональность карста про­слеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обуслов­ленная рельефом, литологическим разрезом массива пород и положе­нием базиса дренирования карстовых вод. В общем случае в однород­ном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнин­но-платформенных областей выделяются гидродинамические зоны.

Вертикальные (по Д. С. Соколову):

1 — аэрации; II — сезонных колебаний; III — полного водонасыщения с обособлением под­зоны д непосредственной разгрузки у дренирующего водотока; IV — глубокого обычно замедленного движения подземных вод.

Горизон­тальные (по А. Г. Лыкошину): А — присклоновую; Б — придолинную и В — приводораздельную. Указанная схема гидродинамической зональ­ности развития карста относится к постоянному уровню дренирования подземных вод; если он изменяется, например при эрозионном врезе из-за тектонического поднятия карстующегося массива, то это влечет формирование новой зональности, обычно наложенной на предыдущую.

Аналогично будет происходить перемещение (относительное поднятие) гидродинамических зон при опускании массива пород.

Интенсивность карстовых процессов неодинакова в разных зонах, что обусловлено различным водообменом в них и растворяющей спо­собностью подземных вод, изменяющейся на путях движения. Наибо­лее энергично карстовые процессы происходят в зонах: сезонных колебаний уровня подземных вод, в которые периодически и глубоко в массив проникают маломинерализованные воды реки или водохрани­лища, где за время низких уровней накопились различные более раст­воримые продукты выветривания; присклоновой, в которой боль­шие градиенты и скорости инфильтрации определяют интенсивный об­мен ненасыщенных солями вод; непосредственной разгрузки под или вблизи дренирующего русла в том случае, если подземные воды на пути к нему не потеряли растворяющей способности. На сте­пень закарстованности разных зон конкретного массива растворимых пород помимо агрессивности воды и интенсивности водообмена влияет продолжительность процесса. Наиболее полно гидродинамическая зо­нальность проявляется в зрелую стадию развития карста.

Существенное усложнение в рассмотренную схему гидродинамиче­ской зональности карста вносят тектонические нарушения (разломы, крупные трещины и др.), которые могут быть как дренами, так и зо­нами разгрузки напорных вод. Для многих рек Восточно-Европейской и Сибирской платформ в области распространения гипсо-карбонатных толщ типичным являет­ся разгрузка в руслах высоконапорных подземных вод по тектоничес­ким разрывам, которая приводит к повышенной закарстованности, а при больших градиентах, к суффозионным выносам и сдвижениям пород. Сосредоточенный вос­ходящий поток напорных вод по разлому формирует вначале, при вы­соком положении рельефа, карстовую пустотность, а затем, вследствие эрозионного снижения поверхности земли и увеличения скоростей дви­жения вод, начинается вынос песков из нижнего слоя, в конечном итоге приводящий к образованию мульды сдвижения.

Важное значение в развитии закономерности имеют часто встре­чающиеся отдельные маломощные (1—3 м) прослои труднораствори­мых глинистых известняков, мергелей или глин, иногда линзообразного залегания. Таким примером являются девонские отложения в районе Витебских порогов на Зап. Двине. Обстоятельная разведка, опытно-фильтрационные и другие работы на нескольких возможных створах плотины установили, что под лед­никовыми отложениями в 80-метровой толще девонских доломитов под руслом реки залегает 3—4-метровый прослой мергелей, выше и ниже которого степень закарстованности резко различна, о чем можно су­дить по величинам удельных водопоглощений q_H и коэффициентам фильтрации Кф.

Влияние тектонической нарушенности наиболее заметно в гидродинамических зонах карста горно-складчатых областей. Среди факторов, определяющих гидродинамическую зональность в горно-складчатых областях по сравнению с платформенными, структурно-тектонические приобретают решающую роль — разломы с зонами дроб­ления, расчлененность рельефа, интенсивность новейших движений и др. В этих областях поверхностный сток обычно преобладает над фильтрацией. Подземные воды характеризуются большими гра­диентами и скоростями, преобладают вертикальные пути движения, приуроченные в основном к зонам тектонических нарушений, где по­роды раздроблены, более растворимы и водопроницаемы.

Энергичная эрозия в глубину, обусловленная интенсивными текто­ническими поднятиями, создает условия, в которых даже в относитель­но растворимых породах не успевает сформироваться гидродинамичес­кая зональность к базису стока и, следовательно, массивы пород закарстованы локально главным образом по разломам и с поверхности, в зоне разгрузки и выветривания. Для горных областей типична боль­шая, чем на платформах, вертикальная зональность (этажность) кар­ста, и нередко высокая степень закарстованности массива в пределах древних поверхностей, например плиоцен-миоценовых, что обусловлено-длительностью действия процессов (фактор времени), более теплым климатом и водностью.

49. Оценка закарстованности территорий.

Карстующиеся породы — карбонатные, сульфатные и соляные, ши­роко распространены в осадочном чехле земной коры во всех систе­мах, начиная с кембрийской. На всех континентах Земли карбонатные породы занимают площадь 40 млн. км², гипсы — около 7 млн. км² и соли — до 4 млн. км²; в России обнаженные и погребенные карбонатные отложения составляют 40% территории, а в отдельных регионах больше. Карбонатный, гипсовый и соляной карст древний и молодой встречается практически повсеместно, где развиты соответствующие отложения, и прослеживается до глубины 300—400 м, как на платформах, где чаще связан с погребенными реч­ными долинами, так и в складчатых областях. Классическими района­ми развития карбонатного карста на европейской части России являют­ся: южный склон Балтийского щита, Польско-Литовская синеклиза, крылья Московской синеклизы, Волго-Уральский свод, Жигулевское поднятие, локальные структуры (валы, антиклинали), Донбасс и дру­гие, а также альпийские складчатые области юга — Кавказ, Крым, предкарпатский прогиб.

Одной из важных задач инженерно-геологического изучения карста является характеристика скорости процессов, в зависимости от которой устанавливается их опас­ность, дается оценка степени закарстованности массива пород и устой­чивости применительно к разным сооружениям и использованию тер­ритории и пещер. Имеется несколько предложений по этому вопросу.

Н. В. Родионов рекомендует оценивать скорость карстовых про­цессов крупных территорий показателем современной активности карста А_к, представляющего отношение количества растворимого ве­щества в процентах к общему объему карстующегося массива пород за тысячелетие. Количество растворимых пород устанавливается по данным режимных наблюдений по суммарной минерализации вод род­ников и водоносного горизонта в оцениваемом массиве. Следует иметь в виду, что определить водный баланс карстующегося массива трудно, что полученные величины А_к характеризуют только ограниченные годы наблюдений, а распространяются они на тысячелетия и что нет основа­ний считать неизменной интенсивность процессов в предшествующие эпохи.

Многие исследователи — 3. А. Макеев, Г. А. Максимович (1963), И. А. Саваренский (1962), К. А. Горбунова (1979) и другие характери­зуют степень устойчивости территории по показателю N—появления новых карстовых воронок (по их числу, суммарной площади или объему) за год на площади 1 км². Следовательно, чем больше возникает воронок и чем больше их общая площадь или объем, тем интенсивнее.

Более объективным является предложение по оценке скорости со­временных карстовых процессов и затем степени их опасности, если они основываются на данных о водном балансе в соответствии с реаль­но сложившейся гидродинамической зональностью, т. е. интенсивностью водообмена различных частей карстующегося массива, на величинах и составе минерализации подземных вод по сезонам года для тех же гидродинамических зон. Для применения гидродинамического метода оценки современного карста требуется детальная разведка и фильтра­ционное опробование для выявления величины и распространения за-харстованности массива, режимные наблюдения за уровнями и химиз­мом вод в разных зонах, гидролого-химические измерения на поверх­ностных водотоках и эксперименты на моделях для проверки гипотезы о гидродинамической зональности. Этот метод можно использовать для прогноза интенсивности карстовых процессов с учетом техногенных фак­торов, например при изменении минерализации и агрессивности вод по отношению к карстующимся породам, увеличение растворимости которых следует оценить лабораторными опытами. Данные о гидроди­намических зонах массива, о распределении закарстованности, величи­нах водообмена и растворении пород в каждой зоне необходимо со­поставить с карстопроявлениями на поверхности в пределах отдельных геоморфологических элементов, которым чаще соответствуют и разли­чия в геологическом строении. На основе такого анализа представляет­ся возможным приближенно-количественно оценить по нескольким, лучше по трем категориям, потенциальную карстовую неустойчивость и стабильность разных частей массива пород (или территории).

В последние годы появились работы, в которых рассматриваются возможность и эффективность применения вероятностно-статистических методов к оценке и прогнозу карстовых процессов (Толмачев, 1980). Предполагается, что интенсивность карстовых провалов пропорциональ­на плотности воронок и их размерам. С помощью коэффициентов связи по теории качественных признаков устанавливается влияние независи­мых между собой факторов, например глубины залегания карстующихся пород, мощности глин над ними и других с оценкой значимости, каждого на количество провалов как более опасному результату кар­стовых процессов. Чем больше учитывается факторов, тем кривая связи ближе к нормальному распределению. При использовании ВСМ. для оценки карста необходимо учитывать:

1) что многие факторы карсто- образования взаимообусловлены, имеют прямые и обратные связи, а не «независимы»;

2) что карст — непрерывно развивающийся процесс, вследствие которого изменяется общая закарстованность массива, дви­жение, режим и агрессивность подземных вод;

3) подготовка к провалу обычно длится значительное, возможно, даже геологическое время;

4) что на древнюю закарстованность накладываются современные про­цессы и нет стационарности в их развитии, а провалы свидетельствуют о качественных изменениях;

5) квазиоднородность геологического строе­ния и гидрогеологических условий территории, где произошли карсто­вые провалы, и оцениваемой.

Вероятностно-статистический метод прак­тически исключает возможность оценки и прогноза карста и его опас­ности под влиянием техногенных факторов, изменяющих режим и хи­мизм подземных вод, гидродинамическую зональность и другие, из-за отсутствия аналогов. При использовании ВСМ оценки и прогноза кар­ста опасен формальный подход, применение расчетных приемов без обоснованной схемы сущности процесса, т. е. детерминированной моде­ли, без учета временных изменений среды и действующих факторов. Поэтому по ВСМ карстовые процессы возможно оценивать приближен­но, на уровне региональных прогнозов, когда имеются данные о стацио­нарности процесса и однородности среды их развития.