Контрольная работа по инженерной геологии

Государственное образовательное учереждение

Высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Кафедра геологии нефти и газа

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Выполнил студент

Заочного отделения

гр. РНГМз-09-2

шифр.0913050344

Пискунов Алексей Юрьевич

проверил доцент

кафедры ГНГ

Ефимов

Пермь, 2011

1. 
   Грунты.
   

По классификации, принятой в Строительных нормах и правилах, грунты разделяются на скальные и нескальные.

К скальным грунтам относятся изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде монолитного или трещиноватого массива. К нескальным (рыхлым) относятся грунты: крупнообломочные несцементированные (валунные, галечниковые, гравийные, щебенистые, дресвяные), песчаные (пески разной крупности), глинистые (глины, суглинки), супеси.

По физико-механическим свойствам породы делятся на монолитные, пластичные, сыпучие и плывунные (насыщенные водой сыпучие породы — плывуны).

Физико-механические свойства грунтов (пород) характеризуются рядом показателей; наиболее важные из применяемых в горном деле указаны ниже.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Коэффициент фильтрации, являющийся основной характеристикой водопроницаемости пород, равен скорости движения воды через массив. Для различных грунтов коэффициент фильтрации K_ф имеет следующие значения, м/сут:

Суглинки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01-0,1
Супесь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,10-1

Песок:

Коэффициент фильтрации используют при различных гидрогеологических расчетах (определении притока воды в горные выработки, дебита скважин).

Кроме указанных свойств пород, при решении отдельных строительных вопросов учитывают прочность, твердость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, разрыхляемость горных пород.

Прочность — это свойство горных пород сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании и ударе.

Твердостью называют способность горной породы сопротивляться проникновению в нее другого более твердого тела (например, острия пики отбойного молотка). Твердость пород определяют по специальной шкале.

Упругость — свойство горных пород изменять свою форму или объем под действием внешней нагрузки и возвращаться к первоначальной форме или объему после снятия этой нагрузки.

Пластичность — это свойство горных пород деформироваться без разрушения под действием внешней нагрузки и оставаться в деформированном состоянии после ее снятия.

Хрупкость — свойство горных пород разрушаться под действием ударных нагрузок без заметной остаточной деформации.

Вязкостью называют способность горной породы сопротивляться силам, стремящимся разъединить ее частицы. При горных работах вязкость пород оценивают по сопротивлению, оказываемому породой при отделении части ее от массива.

Разрыхляемость — это увеличение объема горной породы при ее выемке из массива. Разрыхляемость характеризуется коэффициентом разрыхления, представляющим собой отношение объема вынутой породы к первоначальному объему породы в массиве.

Коэффициенты разрыхляемости некоторых горных пород имеют следующие значения.

Песок,супесь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1-1,2

Скальные породы:

Крепость горных пород характеризуется их сопротивляемостью различным механическим воздействиям: бурению, отбойке, взрыванию, разработке другими механическими средствами. Крепость пород зависит от многих физико-механических свойств: твердости, вязкости, трещиноватости, хрупкости, упругости. В горном деле принята шкала крепости горных пород, предложенная проф. М. М. Прото дьяконовым. По этой шкале все горные породы в зависимости от коэффициента крепости f_кр разделены на десять категорий, причем наиболее крепкие породы (кварциты, базальты и др.), имеющие коэффициент крепости f_кр=20, отнесены к I категории, а наименее крепкие (плывуны, разжиженные грунты), имеющие f_кр=0,3,— к X категории.

В Строительных нормах и правилах, являющихся сводом основных общеобязательных нормативных документов, применяемых в строительстве в нашей стране, принята шкала классификации горных пород, в которой наиболее крепкие породы (с f_кр=20) отнесены к высшей, XI, группе по сложности разработки, а наименее крепкие — к I группе.

2. 
   Понятие карста
   

Карст – процесс выщелачивания растворимых горных пород подземными водами и выноса растворенного вещества через подземные каналы, а также формы рельефа, образующиеся в результате этого процесса.

Термин «карст» происходит от искаженного австрийского названия плато Карст в Словении, на котором эти явления ярко выражены и хорошо изучены европейскими исследователями.

Карстовые явления развиваются в растворимых природными водами горных породах, из которых наиболее широко по поверхности Земли распространены известняки. Однако карст в гипсах, ангидритах, каменной соли, а также в доломитах и других породах распространен весьма широко, хотя и уступает карсту в известняках. В гипсах, доломитах и солях карст интенсивно и быстро развивается, что важно учитывать при изысканиях для разного рода строительства, добыче каменной соли и т.д. Нельзя исключать из понятия «карст» явления, которые развиваются в неизвестняковых растворимых горных породах.

К карстовым следует относить явления, развивающиеся во всех растворимых природными водами горных породах: в известняке, доломите и переходных между ними разностях карбонатных пород, мелу и иногда в мелоподобном мергеле, мраморе, а также в гипсе, ангидрите, каменной соли, калийных, калийномагниевых и других соляных породах. В основе их возникновения лежит химический процесс растворения горной породы и геологический процесс ее выщелачивания, т.е. растворения с удалением (выносом) растворенного материала.

Понятие «карст» связано и с явлениями, которые распространены на поверхности Земли и в земной коре, и с процессом их возникновения. Географы пишут о карсте как о совокупности поверхностных и подземных форм и гидрологических особенностей, геологи же чаще рассматривают карст как процесс геологический, гидрогеологический. В целом же этот термин относится как к совокупности форм и гидрологический явлений, так и к процессам их возникновения и развития.

Существует несколько условий, необходимых для развития карстовых явлений. Во-первых, это наличие растворимой в природных водах горной породы, водопроницаемой вследствие трещиноватости или пористости. Во-вторых, наличие растворителя, т.е. воды, агрессивной к горной породе. В-третьих, наличие условий, обеспечивающих водообмен, – отток насыщенной растворенным веществом воды и постоянный приток свежего растворителя. Если первое условие определяется геологическим строением местности, то второе и отчасти третье тесно связаны с физико-географической обстановкой, второе- с почвенно-растительным покровом и климатом, третье- с геоморфологическими и гидрологическими условиями помимо геологической структуры и гидрогеологических особенностей.

Изучение карста, или карстоведение, по сути своей является отраслью знаний, входящей как в геологию, так и в географию.

К поверхностным карстовым формам относятся карры, желоба и рвы, воронки, блюдца и западины, котловины, полья, останцы.

Карры по происхождению делятся на возникшие на оголенной поверхности растворимой горной породы и образовавшиеся под почвенно-растительным покровом с последующим его удалением. Кары второго типа встречаются во многих странах мира.

Морфологически карры подразделяются на желобковые, стенные, лунковые, трубчатые (в виде трубкообразных цилиндрических углублений в гипсах), каменицы, карры в виде следов, бороздчатые, меандровые, трещинные. На Алтае выделяется еще один вид: на крутом известняковом откосе выработаны каровые углубления в химически относительно чистом известняке, разделенные узкими гребнями, которые соответствуют сильнокремнистым прослойкам.

По генезису особо выделяются желобковые и трещинные карры. Желобковые карры формируются под воздействием только атмосферных осадков, в результате первых трех фаз растворения известняка, без участия четвертой фазы, тогда как остальные типы карров образуются под действие всех фаз растворения: в их формировании участвуют и воды, обогащенные биогенной углекислотой за счет соприкосновения атмосферных осадков и талых вод с почвенно-растительным покровом. Трещинные карры отличаются от остальных путями удаления растворенного вещества: если у большинства других типов карров оно осуществляется поверхностным стоком, то при образовании трещинных карров участвует и вынос растворенного вещества подземным путем, через трещины.

Существует несколько генетических классификаций карров, в которых предусматривается наличие или отсутствие прямого или косвенного влияния почвенно-растительного покрова, учитывается источник и характер растворяющей воды, пути удаления растворенного вещества.

Карстовые желоба и рвы более глубокие и обязательно с крутыми бортами. Они развиваются вдоль раскрытых тектонических трещин (нередко в результате разгрузки на крутых склонах), или вдоль трещин отседания склонов, или трещин «бортового отпора». Они тянутся на десятки и сотни метров, а иногда и на несколько километров, достигая различной глубины и ширины. На концах они замкнуты, на дне могут иметь многочисленные углубления.

Прямолинейные рвы в известняках, разработанные по вертикальным тектоническим трещинам, шириной 2–4 метра и глубиной дот 5 метров называют богозами.

Среди карстовых воронок выделяют три основных генетических типа:

1. 
   Воронки поверхностного выщелачивания, или чисто коррозионные. Образуются за счет выноса выщелоченной на поверхности породы через подземные каналы в растворенном состоянии.
   
2. 
   Провальные воронки, или гравитационные. Образуются путем обвала свода подземной полости, возникшей за счет выщелачивания карстующихся пород на глубине и выноса вещества в растворенном состоянии
   
3. 
   Воронки просасывания, или коррозионно-суффозионные. Образуются путем вмывания и проседания рыхлых покровных отложений в колодцы и полости карстующегося цоколя, выноса частиц в подземные каналы и удаление через них во взмученном и взвешенном состоянии.
   

Кроме трех основных и переходного могут существуют еще несколько типов. По происхождению близки к воронкам поверхностного выщелачивания коррозионно-эрозионные воронки, возникающие из поноров на дне логов или польев. Более редкий тип – воронки, разработанные действием восходящих источников.

Блюдца, западины – это нечетко выраженные мелкие воронки.

Котловины. Воронки всех генетических типов, сливаясь своими краями, образуют сдвоенные, строенные и более сложные ванны и котловины. Выделяют два основных типа котловин – сложные, которые образуются при слиянии нескольких больших воронок и имеют углубления на дне, и плоскодонные котловины. Выделяют следующие генетические типы котловин: поверхностного выщелачивания, провальные, просасывания, а также созданные в комбинации с другими процессами, например, эрозионными. Крупные котловины поверхностного выщелачивания часто образуются за счет корродирующего действия талых вод снежных и фирновых пятен. Многие из таких котловин – наследие перигляциальных условий последней ледниковой эпохи.

Полья по своему происхождению до недавнего времени разделяли на:

1. 
   Тектонические.
   
2. 
   Возникшие путем подземного механического выноса нерастворимой породы, залегающей среди карстующихся известняков или на контакте с ними.
   
3. 
   Образовавшиеся путем слияния группы смежных воронок и котловин при их росте в горизонтальном направлении.
   
4. 
   Провальные.
   

Карстовые останцы характерны для весьма зрелых стадий развития карста. Они многочисленны и разнообразны в быстро развивающемся соляном карсте. В карбонатном же карсте останцы свойственны тропическим областям, если не иметь в виду разного характера мелкие, а также реликтовые формы, образовавшиеся в прежних тропических условиях.

Для тропического карста характерны высокие и крутосклонные останцы в виде столбов, конусов, плосковерхих башен и более мелкие конусообразные и куполовидные формы.

Склоны останцов могут быть голыми, изборожденными желобковыми карами либо густо одетыми древесно-кустарниковой растительностью, среди которой на оголенных отвесных скалах развиты стенные карры. В обрывистых стенах встречаются гроты, нередко со сталактитовыми занавесями. Внутри останцы бывают прорезаны пещерными ходами. Считают, что останцы образуются лишь в химически относительно чистых известняках.

Останцовый карст представляет собой зрелую стадию расчленения приподнятого плосковерхого известнякового массива. Крутизна склонов останцов обусловлена вертикальной трещиноватостью известняков и ослабленностью склонового стока из-за их водопроницаемости. Большое значение имеет обваливание известняка по трещинам из-за подтачивания останцов снизу водами, которые заливают равнины в их основании, или грунтовыми водами, залегающими у базисной поверхности. В основании останцов из-за этого возникают развивающиеся в горизонтальном направлении коррозионные ниши. Подтачиванию останцов снизу боковой коррозией поверхностных вод способствует накопление на базисной поверхности водоупорных осадочных глин. Распределение реликтового останцового карста согласуется со смещением экватора в ходе геологической истории Земли.

Поскольку в низких широтах влажнотропическая климатическая обстановка существует уже не один геологический период, распространенный там останцовый карст можно считать не только современным, но и древним.

Переход от поверхностных форм к пещерам типа гротов представляют навесы и ниши. Нередко они бывают интересны в археологическом отношении. Часто это поверхностные образования, которые возникли из-за более интенсивного выщелачивания отдельных слоев или пачек слоев стекающими по обрыву водами, при большом значении биохимического выветривания (под действием поселяющихся на периодически увлажняемых поверхностях низших растений). В речных долинах и на берегах морей в поверхностном выщелачивании основную роль играют речные и морские воды. На морских берегах растворяющее действие морской воды сочетается с абразией.

В процессе образования более глубоких ниш существенное значение приобретают коррозия за счет вод, просачивающихся по трещинам в горной породе, и, кроме того, обрушение глыб породы из-за расширения трещин вследствие выщелачивания их плоскостей.

В известняковых нишах субтропических и тропических областей встречаются натечно-капельные образования. Сталактиты, сливаясь, образуют занавеси и драпировки.

Естественные мосты и арки чаще всего возникают при обрушении потолка пещерных тоннелей, а иногда и ниш.

Среди подземных карстовых форм можно выделить карстовые колодцы и шахты, пропасти и пещеры.

Карстовые колодцы и шахты – это вертикальные или крутонаклонные пропасти, различающиеся между собой по глубине; к шахтам относятся пропасти глубже 20 метров, достигающие несколько десятков, а то и сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть провальными (гравитационными), гравитационно-коррозионными, образованными путем выщелачивания водой карстующейся породы по трещинам и частичных обрушений; нивально-коррозионными, возникшими вследствие корродирующего действия (по трещинам) талых снеговых вод; коррозионно-эрозионными, которые образованы устремляющимися по трещинам вниз водными потоками, производящими размыв, подготавливаемый растворением по спайкам зерен горной породы; образованные подобным же действием восходящих по трещинам артезианских вод.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся, в частности, глубочайшие карстовые пропасти мира, достигающие глубины 1000 метров и более. Первая шахта, с входным отверстием на поверхности, может быть коррозионно-эрозионной (чаще всего) либо нивально-коррозионной, гравитационно-коррозионной, провальной. Для глубинных частей пропастей нивально-коррозионные шахтные стволы не типичны. Наиболее обычны там коррозионно-эрозионные шахты, но встречаются гравитационно-коррозионные и провальные.

Большинство карстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместном действии растворения и размыва горных пород (размыва, подготавливаемого растворением по спайкам зерен). Значительна бывает и роль обрушения породы, особенно на зрелых стадиях разработки пещерных полостей. Некоторые пещеры возникли под действием термальных и минеральных вод. Пещерные полости так называемого «рудного карста» развились под действием на известняк сернокислых растворов, образовавшихся при окислении пирита и других сульфидов. Встречаются пещеры, представляющие собой в основе сильно раскрытые тектонические трещины, но моделированные процессами выщелачивания (подземные карры и пр.) и осаждения по стенам трещин натечно-капельных образований.

Пещерные полости могут развиваться в зоне аэрации, т.е. в зоне вертикальной циркуляции просачивающихся вод. Однако большие карстовые пещеры зародились в основном при полном заполнении пещерных каналов подземными водами, в зоне полного насыщения, и вода в них циркулировала под гидростатическим давлением. Различают ряд стадий их развития, относящихся к эпохам полного и частичного заполнения водой – напорной эпохе и безнапорной. На основе переработки схемы Г.А. Максимовича Л.И. Маруашвили выделил семь стадий: три – в напорной эпохе эволюции (трещинная, щелевая, каналовая) и четыре в безнапорной (воклюзовая, водно-галерейная, сухо-галерейная, грото-камерная).

При восходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщ и складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей (горизонтальные или почти горизонтальные), заложение которых не связано с соответствующим наслоением горных пород.

Известны значительные многоэтажные пещерные системы. Палеозоологические и археологические данные свидетельствуют о более древнем возрасте верхних этажей в сравнении с нижними, указывая на некоторую аналогию развития пещер и террасовых уровней речных долин.

В морфологии пещерных полостей большая роль принадлежит трещиноватости карстующихся пород и натечно-капельным образованиям. При разработке пещерных тоннелей по вертикальным и круто наклонным трещинам они отличаются прямолинейностью, резкими «коленчатыми» изгибами. Под разными уклонами от них отходят ответвления. Нередко тоннели пересекаются, образуя сложные решетчатые лабиринты. Эволюция натечно-капельных образований зависит от уменьшения притоков воды в пещеру при переходе от воклюзовой к водно-галерейной и сухо-галерейной стадиям. Сначала развиваются наплывы на полу пещеры, гуры, затем сталагмиты с широким основанием, сменяющиеся далее палкообразными. И лишь когда приток воды снижается до 0,1 – 0,01 куб. см в сек, появляются сталактиты. При общем снижении обводненности пещеры в процессе ее эволюции на одной и той же стадии наблюдается в разных частях пещерной полости неодинаковые притоки воды, отчего появляются различные формы натечно-капельных образований.

Пещеры-ледники характеризуются ледяными натечно-капельными и кристаллическими образованиями. Выделено семь типов карстовых полостей-ледников, различающихся по условиям возникновения пещерного холода, накопления снега и льда. Три типа относятся к области вечной мерзлоты, где пещерный лед представляет собой ее особую форму.

Выделяются 4 группы, которые отражают различия в развитии и строении пещерных полостей.

Группа А. Простые колодцы, начинающиеся со дна воронок и развивающиеся по трещинам.

Группа Б. Колодцы и шахты, заканчивающиеся гротами и галереями.

Группа В. Плоскодонные шахты и этажные пещеры. Это пример длительного развития пещер в горных странах. К этой группе относятся наиболее сложные по проходимости полости с очень красивыми пейзажами – большими гротами, озерами, огромным разнообразием натечно-капельных образований.

Группа Г. Горизонтальные о пологонаклонные пещеры. Среди них есть и простые галереи, и сложные лабиринты. Эти пещеры образовались на путях почти горизонтального движения подземных вод.

Одним из основных карстообразующих факторов является химический состав горных пород. Можно утверждать, что, при прочих равных условиях, степень закарстованности больше там, где больше содержится в ней нерастворимых примесей. Влияние других факторов, как то: трещиноватости породы, количества, скорости движения и агрессивности циркулирующих вод, может сильно затушевывать влияние химического состава породы и иногда резко изменять картину.

Однако бывают исключения из выше сформулированного правила. Изучение воздействия подземных вод на мергели и другие нерастворяющиеся нацело (точнее, почти нацело) породы показало, что следует различать понятия растворения и разрушения породы. Под разрушением понимают суммарный результат выщелачивания из горной породы растворимых веществ и механического выноса током воды нерастворимого остатка. Бывает, что разрушение породы идет во много раз интенсивнее растворения. Там, где движение воды замедляется, нерастворимый остаток оседает, взвешенные частицы мути отстаиваются, – происходит отложение карстовой или пещерной глины

Разрушение породы в сравнении с растворением имеет особенно большое значение при образовании карстовых форм, а также в том случае, когда горная порода состоит из неодинаково растворимых минералов.

Если горная порода состоит из минералов с неодинаковой растворимостью и скоростью растворения, процесс ее разрушения усложняется. В известковистых доломитах, например, доломит и кварцит растворяются с разной быстротой в зависимости от их количественного соотношения в породе и скорости движения воды. При содержании доломита около 2 проц. скорость растворения кальцита меньше, чем доломита, при увеличении количества доломита соотношения скоростей растворения становится обратным и в первую очередь выщелачивается кальцит. Поэтому при растворении сильно доломитизированных известняков и известковистых доломитов. В виде остаточного продукта выщелачивания накапливается рыхлый доломит.

Отмечено, что в подобных литологических условиях карстовый процесс проявляется в разработке мелких многочисленных каверн, в высокой пористости породы, ничтожной ее прочности и в конечной стадии процесса – разрушении скальной породы с превращением ее в рыхлую мучнистую массу.

Процесс разрушения известковистого доломита сопровождается выносом 35–40 проц. первоначального объема породы, но в результате разрушения и разрыхления остающейся части продукты разрушения (доломитовая мука) целиком выполняют тот первоначальный объем, который занимала скальная порода.

В доломитизированных известняках объем породы после выщелачивания и разрушения бывает значительно меньше первоначального – объем растворенной части в несколько раз превосходит объем продуктов разрушения; последние в этом случае, следовательно, не заполняют пустоты целиком.

Процесс полного разрушения карбонатной породы, сопровождающийся изменением минералогического состава, возможен в том случае, если порода состоит не менее чем на 35 проц. из кальцита и содержит не более 65 проц. доломита. При меньшем количестве кальцита, после его выноса процесс выщелачивания и разрушения совершается далее в чистом доломите и не сопровождается изменением минералогического состава, т.е. это уже другой процесс, при котором первостепенное значение приобретает пористость.

Также большое влияние на процесс карстообразования оказывает структура горных пород. На влияние химического состава горной породы, выражающегося в наличии или отсутствии значительного количества нерастворимой примеси, накладывается влияние структуры породы, которое затушевывает влияние химического состава при мелких его вариациях.

Большое значение имеет пористость, дающая возможность проникновения воды внутрь блоков пород, заключенных между трещинами, и даже просачивания сквозь нетрещиноватые толщи. Пористость сильно увеличивает поверхность соприкосновения воды с породой, что способствует разрушению породы путем растворения.

При лабораторных исследования растворимости доломитов было установлено, что наиболее растворимы среднезернистые и особенно разнозернистые породы. Значительно труднее растворимы микрозернистые и крупнокристаллические карбонатные породы. Но растворимость мелких кристаллов выше, чем крупных, и плохая растворимость мелкокристаллических пород связана с их малой пористостью.

В отношении же крупнозернистых и кристаллических пород нужно сделать следующую оговорку. В природных условиях можно ожидать большего эффекта их карстования, если налицо турбулентное движение карстовых вод и скорость движения достаточна для эрозионного воздействия на стенку трещины. В этом случае эффект карстования должен повыситься за счет одновременного действия растворения и размыва.

Трещиноватость горных пород является основным условием развития карста. Известняки являются плотной водонепроницаемой породой, циркуляция воды в них может происходить только по трещинам. Такими же плотными водонепроницаемыми породами в большинстве случаев являются гипсы и другие карстующиеся породы. Вот почему трещиноватость пород играет исключительную роль в процессе закарстовывания.

Влияние трещиноватости на развитие карста подчеркивалось очень многими исследователями карстовых форм, особенно исследователями пещер. (Гвоздецкий, 1954)

Как поверхностные карстовые образования, так и внутренние пустоты связаны с трещиноватостью породы, которая является главной причиной развития карстовых образований, наряду с характером самой породы и доступом к ней просачивающихся вод. При образовании подземных форм карста трещины служат первичными водопроводящими путями, при образовании поверхностных форм любых размеров и типов – первичными каналами выноса материала водой в растворенном или взвешенном состоянии, благодаря чему и создаются на поверхности замкнутые формы. Коррозию вне связи с трещиноватостью можно представить только на покатых поверхностях обнаженных пород (или пород с проницаемой покрышкой), но и в этом случае она наиболее интенсивно будет проявляться там, где порода будет рассечена трещинами. Во всех случаях трещиноватость очень существенно отражается на внешнем облике форм. Часто она предопределяет расположение форм.

Трещины бесконечно разнообразны по своей ширине (первичные трещинные полости могут измеряться десятками сантиметров и даже метрами) и по направлению. Они образуют очень сложную сеть на поверхности и в глубине карстующихся массивов.

Косвенное влияние на процесс развития карста оказывают тектонические структуры, а также мощность карстующихся пород. Поскольку на развитие карстовых процессов существенно влияет трещиноватость горных пород, то совершенно ясно, что этот процесс зависит косвенно и от интенсивности дислокационных процессов, которым подвергалась местность. Эта косвенная зависимость развития карста от тектоники отмечалась многими исследователями. Другим обстоятельством, не менее важным, является зависимость циркуляции подземных вод от характера тектонических структур.

Покровные образования и рельеф местности также оказывают на карст существенное влияние. Долгое время существовало представление, что карст не может развиваться при наличии покрова из слабо водопроницаемых образований значительной мощности.

Если геологические и геоморфологические условия обеспечивают интенсивную циркуляцию вод в растворяемых породах, то и под покровом слабо проницаемых пород создаются карстовые полости, в которые суффозионным путем просасывается или оседает покровный материал. При этом первоначально таким путем могут возникать полости в основании покровной толщи, а затем происходит оседание покровной кровли и образование поверхностных воронок.

Условия, благоприятные для развития карста под сравнительно мощными покровными образованиями, создаются в приподнятых краевых зонах синеклиз, где подземные воды движутся с большими скоростями по направлению к древним уступам или глубоко врезанным речным долинам. Выщелачивание происходит также в долинах в долинах рек непосредственно под руслом, поскольку русло реки является зоной дренажа подземных вод.

Крутизна склона топографической поверхности в значительной мере определяет степень инфильтрации дождевых и талых снеговых вод. На участках с меньшей крутизной инфильтрация больше, поэтому здесь условия для развития карста благоприятнее.

Под действием силы тяжести происходит циркуляция вод в трещинах и каналах карстующейся толщи. Сила тяжести вызывает обрушение самих пород или в бортах каньонов и обрывов, или в сводах подземных полостей. Во всех случаях значение имеют тектонические трещины, расширяющиеся коррозией, а в последнем и трещины наслоения. «Сквозные» обрушения над подземными пустотами и туннелями подземных рек приводят к образованию провалов и к вскрытию речных долин. Обрушения в сводах подземных полостей по расширенным растворением тектоническим трещинам и трещинам наслоения играют большую роль в образовании пещерных камер и зал.

Напряжения, создающиеся под действием силы тяжести вдоль крутых откосов у бортов каньонов и долин, по краям уступов плато, расширяют трещины тектонической отдельности, что способствует проникновению воды в глубь толщи породы и развитию карста.

Подземные реки, связанные с исчезающей наземной рекой или с исчезающим рукавом наземной реки, иногда пересекающие насквозь карстовые массивы, образовались благодаря просачиванию вод наземных водотоков в трещины породы, которые являлись первичными каналами для движения исчезнувшей воды под землей, а затем превратились вследствие растворяющего и размывающего действия потока в подземные туннели. Формирование этих туннелей тоже, в основном, должно было происходить снизу вверх по течению подземного потока, т.е. оттуда, где этот последний свободно изливался на дневную поверхность. Постепенное перемещение действующих поноров исчезающих наземных карстовых рек вверх по руслу является отражением постепенного «попятного» отступания верховья подземной реки, связанной с исчезающим наземным потоком.

Если подземная река протекает на уровне грунтовых вод, то она точно так же дренирует их, как и река наземная. Взаимоотношение такой реки с грунтовыми водами совершенно ясно. Одновременное существование таких подземных рек и грунтовых вод (трещинно-карстовых вод) является скорее правилом, нежели исключением.

Что же касается выхода многих пещерных рек на значительной высоте над уровнем современных поверхностных рек, то и тут нет очень большой разницы между этими подземными притоками и притоками наземными. При энергичном поднятии местности последние тоже могут не поспеть за углублением главной реки и спускаться в нее стремительными каскадами. Но если они, в конце концов, пропилят и углубят свое русло, то из приподнятых подземных каналов вода также с течением времени уйдет новыми путями, оставив сухие галереи вместо площадок террас.

Традиционное выражение «подземная гидрография карста» имеет свое основание, так как в карсте действительно приходится иметь дело с «гидрографическими объектами», находящимися под землей, – реками, озерами. Следовательно, карстовед, изучающий подземный мир, должен вести под землей и гидрографические и гидрогеологические наблюдения.

Карстовые источники характеризуются большой концентрированностью выхода вод. Особенно мощными они бывают тогда, когда на поверхность вытекают подземные реки или подземные струи, образовавшие единый водоток при выходе. Такие источники называют воклюзами.

Даже если установлена прямая связь источника с ушедшей под землю рекой, не всегда выход воды в виде воклюза служит только продолжением этой реки – под землей к ней присоединяются боковые притоки.

Источники, бьющие из глубины под напором, иногда образуют озера в устьевых воронках, разработанных коррозией восходящей струи. Эти озерца имеют постоянный отток воды в виде ручья или речки.

Поскольку режим питания карстовых вод и подземных рек изменяется по сезонам, особенно в областях со средиземноморским климатом, дебит карстовых источников, даже типов воклюз и ключевого горшка, может резко колебаться. Если же выводные каналы источника связаны с зоной периодического, а не постоянного насыщения, то образуется периодический (периодически действующий) источник. Имеются и другие типы периодических источников. Некоторые источники периодически меняют водоизливающие функции на водопоглащающие (т.е. превращаются в поноры). Большой интерес представляют выходы пресной воды на дне моря – субмаринные источники.

Реки карстовых районов создают своеобразную гидрографическую сеть. Характерны разреженность поверхностной сети, поглощение поверхностного стока понорами в карстовых логах, воронках и котловинах и перевод его в подземный сток. Карст усиливает интенсивность подземного стока, нарушает плавный зональный характер его распределения. Характерно обилие подземных, пещерных рек, исчезновение под землю поверхностных водотоков. Во многих карстовых районах наблюдаются подземный водообмен между речными бассейнами (он может быть положительным и отрицательным) и несовпадение подземных водоразделов с топографическими.

Карстовые озера заполняют отрицательные поверхностные формы карста разного размера и характера: одиночные воронки, сложные ванны и котловины, пониженные участки днищ польев.

Различны и условия заполнения озерных котловин водой. Озеро может представлять собой скопление поверхностных вод либо оно питается грунтовыми карстовыми водами и испытывает колебания уровня, соответствующие колебанию их скатерти. Наконец, озеро может представлять собой заполненную напорной водой воронку восходящего источника с постоянным оттоком. Периодическое заполнение водой и осушение озерных котловин бывают связаны на только с колебанием уровня грунтовых карстовых вод, но и с большим поступлением воды при сильных или длительных дождях, снеготаянии, когда вода не успевает поглощаться понорами и скапливается в котловине, расположенной над уровнем грунтовых карстовых вод.
Хозяйственное значение карста
Значение карста двойственное – положительное и отрицательное. Положительная роль выражается прежде всего в том, что карст обеспечивал фиксацию в геологической летописи континентальных отложений последовательных фаз карстификации, что создало предпосылки палеогеографических и палеотектонических реконструкций.

В палеокарстовых депрессиях размещаются месторождения различных рудных и нерудных полезных ископаемых, из которых ведущая роль на ранних этапах освоения недр Сибири принадлежала золоту. В связи с отработкой большей части россыпей основное значение приобрели месторождения огнеупорного сырья. Также осваивается ряд месторождений фосфоритов и углеводородов, бокситов и глинистых пигментов. Эксплуатируются месторождения карстовых вод, в связи с усиливающимся загрязнением поверхностных водотоков и ростом водопотребления количество водозаборов, каптирующих водоносные коллекторы, будет увеличиваться. С учетом распространенности карбонатных пород можно полагать, что ресурсы карстовых вод составят для отдельных районов от нескольких процентов до 60–70 проц. от общих извлекаемых ресурсов подземных вод.

Как положительный фактор с позиций физической географии и краеведения можно оценить специфику карстовых ландшафтов, расширяющих разнообразие природных условий территории и используемых для туризма. Так, из Красноярска выполняется однодневный маршрут на теплоходах по водохранилищу ГЭС, наиболее зрелищной частью которого является Бирюсинский залив, по берегам залива представлен карстовый рельеф.

В южной части края на закарстованных площадях обычно отсутствуют многолетняя мерзлота и болота, в связи с чем улучшаются условия развития леса и землепользования (при невысокой плотности карстовых воронок). Ценными объектами для туризма, краеведения, медицины и для ряда научных дисциплин является ряд крупных пещер. Известно о благоприятном влиянии подземной атмосферы на больных бронхиальной астмой. Аллергологические лечебницы могут быть созданы в некоторых крупных пещерах Восточного Саяна. Особые природные условия пещер позволяют использовать их как естественные биотропы для медико-биологических исследований.

Пещеры имеют большое значение для познания палеолита и неолита. В нескольких пещерах выявлены культурные слои позднего палеолита. Богатая коллекция изделий из кости и бронзы собрана в Айдашинской пещере около г. Ачинска. Исследования показали, что она была культовым местом начиная с неолита и до средних веков (Молодин, Бобров, Равнушкин, 1980). Изучение пещерных грунтов позволило уточнить списки млекопитающих, обитавших на карстово-спелеологических участках в позднем плейстоцене – раннем голоцене. Среди костных останков млекопитающих встречаются и вымершие виды фауны. Изучение фаунистических остатков входов пещер дает информацию об изменении ландшафтно-климатических условий местности.

Отрицательная роль пещер обусловлена провалами и просадками земной поверхности на территории городов, поселков и трассах железных и шоссейных дорог, а также угрозами обвалов, оползней и наледей. Вероятность провалов тем больше, чем выше плотность воронок, многие из которых отражают развитие близповерхностных пещеристых полостей.

В зоне Красноярского водохранилища на Бирюсинском участке, где планировалось строительство крупной базы отдыха, появились провалы, один из которых имел глубину около 50 м.

Понижение уровня карстовых вод в пределах депрессионных воронок водозаборов, строительство карьеров и котлованов, являющихся водосборниками метеорных вод, утечка воды и промстоков из трубопроводов, повреждение почвенного слоя, регулирующего скорость инфильтрации воды, – эти и другие последствия хозяйственной деятельности ведут к техногенной активизации карста, негативно воздействующей на инженерные сооружения. Большие осложнения вызывает карст при добыче карбонатного сырья (известняка, доломита, магнезита) и гипсового камня. Все месторождения карбонатного сырья в предгорных и низкогорных районах, в наиболее благоприятных для освоения месторождений условиях, поражены карстом. Пласты гипса на большей части площади приповерхностного распространения сульфатно-терригенно-карбонатной формации в карстовой области Ангаро-Тасеевской синеклизы сильно разрушены.

Наибольшие осложнения при эксплуатации месторождений известняка и доломита вызывают кольматационные отложения, которые при детальной разведке почти нигде не фиксировались ввиду маломощности тел песчано-глинистых образований, их сложного распределения в карбонатной толще и избирательного разрушения этого материала при бурении. После строительства карьеров оказалось, что линейный коэффициент закарстованности составляет 10–15 проц. Показательно в этом отношении Мазульское месторождение флюсового известняка хр. Арга.

В отложениях палео- и неокарста обнаружены залежи различных полезных ископаемых. Рудное сырье представлено марганцевыми, железными и железомарганцевыми минеральными ассоциациями, россыпным золотом и бокситами. Группа нерудного сырья включает фосфориты, россыпи алмаза, глинистые пигменты, глины, мраморный оникс. Полезные флюиды – это пресные и минеральные воды, скопления нефти и газа.

Употребляемый далее термин «карстовые месторождения» несет морфологический смысл, подчеркивая условия локализации залежей этого минерального сырья. Его не следует трактовать в генетическом смысле, т. к. полезные ископаемые карстовых депрессий полигенетичны.

Руды железа и марганца относительно широко распространены в отложениях карстовых депрессий. Значительное число непромышленных месторождений и рудопроявлений марганцевых и железо-марганцерых руд отнесено к разряду остаточно-инфильтрационных образований. Это месторождения Порожинского рудного района Енисейского кряжа. Для них свойственны локализованный первоисточник рудного вещества и значительное обогащение им вторичных концентраций, образованных на окислительном, щелочно-окислительном геохимических барьерах. В Порожинском марганцеворудном районе Енисейского кряжа выявлена система контактово-карстовых палеодепрессий преимущественно на доломитах подъемской свиты позднего рифея, в которых локализованы линзы окисных и карбонатных марганцевых руд.

Отложения карста имеют многокомпонентный состав, что обусловлено как составом пород, так и резко неравномерной интенсивностью неоэлювиального выветривания обломочного материала. Рудные залежи тяготеют к более глинистым частям разреза. Они преимущественно кусково-землистые. В керне нередко хорошо заметно, что буровато-черные марганцевые окислы пропитали и заместили дисперсные нерудные минералы, покрыли с поверхности обломки туффосилицитов. Каменистые рудные отложения имеют желовковую, гроздевидную, линзовидную формы.

В целом бурые железняки, железомарганцевые и чисто марганцевые руды в контактных корах выветривания и отложениях покрытого, отчасти кольматированного типов карста встречаются часто, образуя обширные рудные районы (Присаянье, хр. Арга, Ворговский прогиб). Опыт их изучения свидетельствует о непромышленных масштабах оруденения, образованного за счет малоконцентрированных коренных источников. Руды отлагаются подземными водами на геохимических барьерах и образуют большое число залежей. Масштабы остаточно-инфильтрационных руд могут быть промышленными. Но сырье низкокачественное из-за значительных содержаний железа, фосфора. Использование этого сырья возможно при разработке экономичных схем его обогащения (прежде всего, перспективны биотехнологические методы извлечения марганца).

Россыпи золота и тяжелых металлов на закарстованных карбонатных породах известны во многих карстовых областях Красноярского края. По генезису они подразделяются на аллювиальные, пролювиально-делювиальные и элювиальные. Аллювиальный класс россыпей является самым распространенным. По геоморфологическим условиям размещения среди них различаются русловые суходольные (в распадках), террасовые, увальные и нагорные. В зависимости от мощностей торфов аллювиальные россыпи подразделяются на открытые, полупогребенные и погребенные.

Бокситы в отложениях покрытого типа карста известны и в горных, и в платформенных карстовых областях. Как и в других регионах, здесь установлены 2 основные группы месторождений – геосинклинальная и платформенная. К первой группе относятся пласты и линзы диаспоровых и бемитовых корундсодержащих бокситов. Эти тела приурочены к поверхности континентальных перерывов в карбонатных толщах позднего докембрия, нижнего и среднего палеозоя и связаны с геосинклинальным карстовым циклом. Платформенная группа имеет многочисленные месторождения и проявления во многих карстовых областях. Они связаны с позднеэмерсионным карстовым циклом Сибирской платформы и дейтероорогенным – ее складчатого обрамления.