Карст: Сущность, проявления и роль в формировании условий среды

Из главы: Климчук А.Б. Карст и природные полости. 
В кн.: Экологическая геология Украины (под ред. Шестопалова В.М.), Киев, Наукова думка, 2009.

Карст - сложный геологический процесс, в котором в зависимости от условий среды участвуют различные элементарные процессы. Основным среди них, инициирующим на разных стадиях прочие процессы, является растворение горных пород природными водами. Соответственно, карст развивается в легкорастворимых породах, широко распространенных в осадочном чехле: карбонатных (известняки, доломиты, мело-мергельные толщи), сульфатолитах (гипсы, ангидриты), галолитах (каменная соль и др.). Относительная растворимость в природных условиях известняка, гипса и каменной соли приблизительно представлена соотношением 1 : 102 : 104, что во многим определяет потенциальную интенсивность соответствующих литологических типов карста.

Вынос растворенного вещества из карстующихся пород сопровождается расширением первичных путей фильтрации подземных вод (трещин, пор) и формированием полостей – процессом спелеогенеза, который является системообразующим в карсте. По мере развития полостей инициируется и усиливается действие прочих элементарных процессов (суффозии, гравитационной деструкции и др.) и возникают различные формы их проявления (провалы, обвалы, просадки и др.). Это происходит как в карстующейся толще, так и в смежных отложениях (особенно перекрывающих). При относительно неглубоком залегании или обнажении карстующихся пород на поверхности образуется специфический карстовый рельеф, в котором доминируют замкнутые формы (воронки, слепые долины).
Движущей силой карстового процесса является водообмен. Сущностью карстового процесса и важнейшим и уникальным свойством карстовых водообменных систем является прогрессирующее возрастание проницаемости пород и пространственной неоднородности и анизотропии емкостных и фильтрационных свойств карстовых коллекторов в результате активной циркуляции вод в растворимых породах и сопутствующего спелеогенеза (Климчук, 2008; Klimchouk et al., 2000). В результате развития карста происходит интенсификация водообмена и кардинальное изменение его структуры, а формируемая огромная пространственная неоднородность емкостных и фильтрационных свойств приводит к многоуровенности фильтрационной среды, к которой неприменимо допущение об условной сплошности.

Резкое возрастание структурной неоднородности геологической среды и неоднородности фильтрационных и физико-механических свойств пород в ходе карстогенной эволюции является главной причиной высокой чувствительности природных систем в карстовых регионах к различного рода антропогенным воздействиям и причиной возникновения разнообразных и острых геоэкологических проблем. Специфика природных условий и процессов в карстовых регионах требует особых подходов к природопользованию и охране геологической среды, в частности – к оценке уязвимости подземных вод. Особенности развития карста и его геолого-экологическая роли существенно различаются в различных типах карста.

Типология карста

Проблема типологии карста сложна и многогранна, ей посвящена обширная литература. Оставляя за рамками данной работы ее всесторонний обзор, отметим несколько важных линий в развитии подходов к типологии карста. Б.Н.Иванов (1956) и И.Г.Глухов (1961) подчеркивали важность с точки зрения формирования подземных вод и развития карста наличия или отсутствия, а также проницаемости, некарстующегося покрова над растворимыми породами, предложив выделять в качестве основных типов карст открытый (покров отсутствует), полуоткрытый (присутствует проницаемый покров) и закрытый (присутствует слабопроницаемый покров). Б.Н.Иванов (1956) впервые высказал идею о придании этим типам эволюционного значения, рассматривая их как стадии развития карста на фоне восходящих неотектонических движений и геоморфологической эволюции. В работах Дж.Квинлана (Quinlan, 1978) и Р.А.Цыкина (1990) разграничивается типологическая роль покровных толщ разного по отношению к карсту возраста: карст, сформированный до образования покрова и им перекрытый (палеокарст) и карст, сформированный после образования и при наличии покрова (собственно глубинный карст). Все эти идеи легли в основу схемы эволюционной типологии карста, разработанной Климчуком (Klimchouk, 1996) и Климчуком и Фордом (Klimchouk, Ford, 2000), рассматривающей типы карста в контексте общей геолого-геоморфологической эволюции и гидрогеологического цикла. В настоящее работе используются следующие критерии выделения основных типов карста по отношению к покровным отложениям:

В закрытом карсте процесс на поверхности не выражен, за исключением отдельных провальных форм, но может интенсивно развиваться под покровом с образованием полостей и карстовой проницаемости. В полуоткрытом карсте (к нему относятся также территории со слабопроницаемым покровом, частично вскрытым эрозией) процесс выражен на поверхности в виде провальных и поглощающих форм. В открытом карсте некарстующийся покров отсутствует (за исключением почвенного) и на растворимых породах развиваются полноценные карстовые ландшафты. Характерной особенностью карстовых ландшафтов в открытом и полуоткрытом карсте является преобладание замкнутых форм, а также недоразвитость эрозионных систем и гидросети ввиду развитого дренирования подземными системами стока.

Факторы и процессы карстообразования в закрытых гидрогеологических структурах существенно отличны от таковых в гидрогеологически открытых обстановках, тогда как полуоткрытые структуры являются переходными от закрытого карста к открытому. Районы открытого и закрытого карста характеризуются принципиально различными условиями питания и гидродинамическими профилями. В открытом карсте присутствуют все гидродинамические зоны, тогда как в закрытом карсте часто представлена только одна зона – полного насыщения, ее подзона напорных вод (рис. 1).

Кардинальные отличия в условиях питания и циркуляции подземных вод в закрытых и открытых условиях выражаются в формировании основных соответствующих генетических типов карста (спелеогенеза), различаемых в последние годы – гипогенного и эпигенного. Гипогенные и эпигенные карстовые системы связаны с разными типами и сегментами региональных водообменных систем и, соответственно, формируются в различных гидродинамических, гидрохимических и термальных условиях.

Гипогенный карст формируется в условиях напорных водоносных комплексов за счет питания растворимых толщ подземными водами, поступающими преимущественно снизу от подстилающих пород. Он генетически не связан с поверхностью и поверхностым питанием и может развиваться на различных, в т.ч. значительных (до 1000 м и более) глубинах. При раскрытии гидрогеологических структур и выведении гипогенного карста в неглубокое залегание (безнапорные, сдренированные условия) он становится реликтовым. Гипогенные формы в условиях неглубокого залегания могут отчасти наследоваться и перерабатываться эпигенным карстообразованием. В гипогенном спелеогенезе действуют механизмы подавления обратной связи между расходом и скоростью роста каналов, т.е. подавляется тенденция к избирательному развития каналов, характерная для эпигенного спелеогенеза (Климчук, 2006, 2008; Klimchouk, 2000, 2003, 2007). При наличии соответствующих структурных предпосылок это приводит к формированию первазийной пустотности. Карстовая пустотность гипогенного происхождения может намного превышать таковую в гидрогеологически открытом карсте (примерно в 5 раз в плане и на порядок в объеме), но закарстованные площади обычно имеют кластерное распределение. Основная гидрогеологическая роль гипогенного спелеогенеза состоит в развитии (усилении) вертикальной гидравлической связности горизонтов в слоистых водонапорных системах.

Эпигенный карст формируется в открытых (безнапорных) гидрогеологических условиях, в непосредственной генетической связи с поверхностью и поверхностым питанием, концентрированность которого возрастает в ходе эволюции карстового рельефа. Эпигенный спелеогенез приводит к развитию преимущественно древовидных полостных структур, обеспечивающих возрастание концентрации стока в направлении гидравлического градиента. Проницаемость закарстованных пород отличается крайне высокой неоднородностью и анизотропией. Типичные каналовые системы эпигенного происхождения демонстрируют невысокую площадную плотностью (в среднем 16 км/км2) и небольшие площадные (6,4%) и объемные (0,4%) показатели карстовой пустотности, но проводят практически весь сток, часто на большие расстояния (Климчук, 2008). В зрелых карстовых системах средние скорости карстовых вод измеряются сотнями и тысячами м/сутки, а движение вод почти всегда турбулентно. Режим источников отличается большими вариациями расходов.

Различные типы карста часто образуют смежные зоны, положение и развитие которых контролируется дифференцированными неотектоническими движениями. На рис. 1 приведен типологический гидрогеологический профиль Горного Крыма, где в тектонически погруженных блоках (Байдарская котловина) развивается закрытый карст, а Главная гряда представляет карст открытого типа. Переход от карста закрытого типа (Равнинный Крым) к полуоткрытому (Внутренняя и Внешняя гряды) и открытому (Главная гряда) карсту  наблюдается между смежными структурами платформенного Крыма (Скифская плита) и горного Крыма (Альпийский ороген).

Другим типичным примером является гипсовый карст юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы (Западной Украины), где зоны полуоткрытого сденированного карста, полуоткрытого обводненного карста и закрытого карста сменяют друг друга в направлении от внутренних частей платформы к Предкарпатскому прогибу (рис. 2 и 3).

Схема гидродинамической зональности карстовых вод Горного Крыма
Рис. 1. Схема гидродинамической зональности карстовых вод Горного Крыма (составлена А.Б.Климчуком на основе схем Глухова (1961), Шутова (1971) и Дублянского (1988), с дополнениями). Карстовые массивы: а - цокольные приморские, б – склоновые континентальные. Гидродинамические зоны: I – эпикарстовая (преимущественно рассеянное питание; безнапорные воды, образующие подвешенный горизонт); II – аэрации (вадозная - преимущественно нисходящее свободное движение вод по трещинам и каналам); III – сезонных колебаний уровня (перемежающиеся условия зон II и IVа); IV – зона полного насыщения; подзоны: IVа – преимущественно безнапорных вод открытого карста с интенсивным водообменом, с локальным напором в каналах (фреатическая); IVб  - напорных вод  с интенсивным водообменом; IVв – напорных вод (артезианского напора) закрытого карста с замедленным водообменом.
Условные обозначения: 1 – слабопроницаемые породы, 2 – карстующиеся породы, 3 – тектонические нарушения: 3а - в цоколе, 3б – в карстующихся породах, 4 – границы гидродинамических зон, 5 – направления движения подземных вод, 6 – карстовые источники.

Зоны развития различных типов карста в неогеновых карбонатно-сульфатных отложениях в пределах юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы
Рис. 2. Зоны развития различных типов карста в неогеновых карбонатно-сульфатных отложениях в пределах юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы (по Климчуку, 1999). I-я зона = открытый и полуоткрытый сдренированный карст в подгипсовых отложениях; II-я зона = полуоткрытый сдренированный карст; III-я зона = полуоткрытый обводненный карст; IV-я зона = закрытый (гипогенный, артезианский) карст.

 

Геолого-карстологический профиль юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы
Рис. 3. Геолого-карстологический профиль юго-западной окраины Восточно-Европейской платформы. Номенклатура зон соответствует рис. 2 (по Климчуку, Андрейчуку, 1984).

 

База Библиокарст

  1. Автор
    Неверное значение
  2. Название
    Invalid Input
  3. Год
    Invalid Input
  4. Ключевое слово
    Invalid Input
  5. Тип издания
    Invalid Input