Карст и суффозия

Учебное пособие в формате pdf: Попов Ю.В., Пустовит О.Е. Курс «Общая геология». Учебное пособие «Карст» - Москва-Берлин: Директ-Медиа, 2016. - 64 с. Скачать

Карст как явление
Карстовые формы
Карстовые отложения
Суффозия

Карст как явление

Карст представляет собой комплекс явлений и процессов, результатом которых является возникновение поверхностных и глубинных пустот в растворимых водою горных породах. Как вытекает из определения, под карстом понимают не только процесс растворения, но и его результат – образование специфических карстовых форм рельефа.

Необходимыми условиями развития карста являются наличие  толщи растворимых пород и наличие вод. Активному протеканию карстовых процессов способствует также пористость и трещиноватость, обеспечивающая интенсивное движение вод в массиве растворимых пород.

Наиболее распространён карбонатный карст, развивающйися  в карбонатных  (известняки, доломиты, мел и пр.) породах. В пределах материков обнажённые и погребённые карстующиеся карбонатные породы занимают до 40 млн. км². Не случайно французский исследователь Э. Мартель предлагал называть карстовые процессы «явлениями в известняках». Примечательно, что карбонат кальция в дистиллированной воде практически нерастворим. Для растворения карбонатов необходимо присутствие в воде углекислого газа, реакция в общем виде может быть описана формулой

 СаСО₃(твёрд)+Н₂О+СО₂=Са²⁺+2НСО₃^-

Активному растворению карбонатов способствует  наличие в водах минеральных или органических кислот, поступающих из почв.

Из некарбонатного карста в природе довольно широко распространён сульфатный карст (гипсово-ангидритовый), развитый на площади около 7 млн. км², и соляной – до 4 млн. км². Активность развития сульфатного карста в десятки раз превышает активность карбонатного, а соляной карст развивается ещё энергичней. Растворение этих пород протекает напрямую, без участия углекислоты и других химических соединений. Но из-за пластичности этих пород ограничена внутренняя циркуляция вод и наиболее активно процесс протекает на контакте с вмещающими породами, где циркуляция вод интенсивнее. Необходимо добавить, что благодаря высокой растворимости гипса, ангидрита и особенно каменной и других легкорастворимых солей при замедленном водообмене происходит быстрое насыщение воды растворённым веществом, и процесс выщелачивания приостанавливается. Интенсивность развития карста в этих породах определяется главным образом скоростью фильтрации вод.

Пустоты, сходные с карстовыми, возникают и в других горных породах, что позволяет выделять ряд явлений, традиционно относимые к карстовым, например, глиняный карст - пустоты, возникающие в процессе суффозии глинистого вещества подземными водами, термокарст - растворение льда в зонах вечной мерзлоты и др.

Карстовые формы

Процессы развития карста наиболее ярко проявлены в образовании различных карстовых форм, среди которых в первую очередь выделяют поверхностные и подземные формы.

Поверхностные формы представлены бороздами – каррами, а также различным замкнутыми углублениями: воронками, ваннами, котловинами, польями, слепыми (замкнутыми в нижнем конце) долинами и балками, а также естественными колодцами и шахтами.

Карры являются микроформами карстового рельефа и представляют собой рытвины и борозды, глубиной от нескольких см до 1-2 м. Борозды и разделяющие их гребни либо протягиваются почти параллельно друг другу, совпадая с направлением уклона рельефа или падения слоёв горных пород, либо располагаются хаотично, ветвятся и сливаются друг с другом. Образование карров связано с воздействием атмосферных осадков и талых снеговых вод, основную роль при этом играет выщелачивание, лишь на крутых склонах проявляется также и эрозия стекающими водными струями. Карры иногда покрывают обширные площади, образуя карровые поля.

Наиболее распространённой карстовой формой являются воронки. Они имеют разнообразную форму (конические, котлообразные, блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы) и размеры (диаметр от 1 до 200 м и глубину от 0,5 до 50 м). На дне воронок и других понижений встречаются поноры – вертикальные или наклонные глубокие отверстия щеле- или колодцеобразной формы, поглощающие поверхностные воды и отводящие их в глубину карстового массива. По происхождению воронки разделяются на воронки поверхностного выщелачивания, образующиеся за счёт выноса в растворённом состоянии выщелоченной на поверхности породы через поноры или трещины; и провальные воронки, образующиеся за счёт обвалов сводов подземных карстовых полостей.

За счёт слияния нескольких воронок образуются более крупные карстовые формы – котловины. Ещё более масштабными поверхностными карстовыми формами являются полья – обширные, иногда громадные формы (до сотен км²) с плоским дном и крутыми склонами, образующиеся за счёт слияния котловин. Глубина польев может достигать уровня грунтовых вод, из-за чего на их дне образуются временные или постоянные водоёмы, карстовые озёра (нередко полья частично подтапливаются только во влажный сезон, превращаясь во временные озёра.
В тропиках часто встречаются и положительные карстовые формы рельефа: башни, конусы, купола и т.п.

Карстовые колодцы и шахты являются переходными от поверхностных к подземным формам - это вертикальные или крутонаклонные полости, различающиеся между собой по глубине. К шахтам относятся полости глубже 20 м, и достигающие иногда сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть обязаны своим возникновением гравитационным (провальными) процессам, либо выщелачиванию водой карстующейся породы; нередко эти процессы сочетаются.

Типичными подземными формами являются карстовые пещеры. Обычно они имеют причудливые очертания, что обусловлено сложностью систем трещин (определяющих направление фильтрации растворяющих вод), их пересечением и неоднородностью состава карстующихся пород. Наиболее крупные карстовые пещеры возникают в зоне полного насыщения при заполнении трещинных зон напорными подземными водами.

Карстовые отложения

К карстовым отложениям относятся разнообразные по составу и генезису породы, объединяемые лишь общностью приуроченности к карстовым полостям.
Пещерные отложения в зависимости от происхождения можно подразделить на остаточные, гидрохемогенные, гидромеханические, гравитационные, биогенные и биохеогенные, антропогенные образования
Остаточные отложения формируются за счет накопления и переотложения нерастворимого остатка карстующихся пород. Характерными отложениями является терра-росса (от итал. terra rossa – красная земля) – красноцветные глинистые отложения, обогащённые гидроокислами алюминия и железа, представляющие собой нерастворимый остаток известняков. Терра-росса встречается как на дне карстовых воронок, так и в пещерах.

Гидромеханические (водные механические, инфлювиальные) отложения связаны с приносом водой в карстовые полости и трещины карстового массива твёрдых частиц. Для группы таких отложений, выполняющих трещины, иногда применяется специальный термин «кольматолиты» (от colmatage – вмывание). Представлены такие образования преимущественно скоплениями вязкой глины.
В некоторых пещерах накапливаются осадки, связанные с деятельность подземных рек. При этом значительная часть отлагаемого ими материала может быть связана в привносом частиц водным потоком из-за пределов собственно карстовых полостей. Из общего комплекса карстовых отложений они выделяются, если скорость движения потока достаточна высока, чтобы придать отложениями характерные структурно-текстурные особенности. Невысокие скорости движения подземных вод приводят к формированию глинистых отложений.
Отложения подземных озёр представлены различными осадками, источниками которых являются продукты выветривания коренных пород, минералы, кристаллизующиеся из озерной воды, а также материал, занесенный водными потоками (в том числе и подземными реками).

Гидрохемогенные (или водные химические) отложения - различные натечные образования, формирующиеся за счёт процессов химического осаждения вещества из водных растворов.

Особенно широкое развитие в пещерах имеют карбонатные натёчные образования. Воды, просачивающиеся по трещинам в карбонатных породах, обычно содержит много углекислого газа, что значительно увеличивает их растворяющую способность. Растворяя по пути своего движения известняки, вода насыщается кальцием в виде бикарбоната:

СаСО₃(твёрд)+Н₂О+СО₂=Са(НСО₃)₂.

Когда насыщенная бикарбонатом кальция вода просачивается с потолка или стенок пещеры, она теряет часть углекислого газа; в результате нарушения равновесия реакция сдвигается влево. Бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСО₃), который частично выпадает в осадок ещё в момент, когда вода находится на потолке пещеры:

Са²⁺+2НСО₃^-=Н₂О+СО₂+СаСО₃(осадок)

Так из капель, просачивающихся с потолка пещеры, нарастают вниз натёчные образования, называемые сталактитами, а из капель, падающих на пол пещеры, образуются сталагмиты. Вода, стекающая по стенам пещер, образует кальцитовые драпировки, а при слиянии линейно расположенных сталактитов возникают занавеси.

Корочки кальцита часто образуются при испарении пленочных растворов на пористых поверхностях.
Кальцитовые пленки могут образовываться и на поверхности воды подземных озер.

В случае фильтрации вод через толщи, содержащие рудные залежи или рассеянную минерализацию, из них может осаждаться не только кальцит, но и другие минеральные соединения – см. рис. В некоторых пещерах Средней Азии обнаружена промышленная урановая минерализация. Некоторую роль при образовании минералов в глубоких пещерах могут играть также минерализованные гидротермальные растворы.

Наряду с хемогенными образованиями, для многих пещер характерны и биохемогенные накопления. Значительные объёмы органогенного материала в пещерах представлены помётом летучих мышей – гуано. Гуано, реагируя с глиной, образует фосфаты алюминия.

В пещерах присутствуют также гравитационные обвальные накопления – продукты обрушения сводов пещер. В сводах крупных галерей можно наблюдать купола обрушения, под которыми расположены высокие конусы из обломков.
Обвалы часты близ входов пещер, последние часто загромождены обломками. Причиной тому интенсивное температурное и морозное выветривание при сезонной или суточной смене положительных и отрицательных температур. Обвальный процесс в зоне морозного выветривания особенно интенсивен, при этом большинство обвалов здесь происходит, когда промерзшие породы оттаивают и более активны инфильтрационные процессы.

Суффозия

С карстовыми процессами нередко тесно связаны процессы суффозии, образуя карстово-суффузионные явления. Суффозия (от лат. suffosio – подкапывание, подмывание) – механический вынос тонких частиц водой, фильтрующейся в толще горных пород. Фильтрующаяся вода осуществляет работу двоякого рода: с одной стороны, она выщелачивает и уносит растворимые соли, с другой – производит механический вынос мельчайших частиц породы. В результате происходит разрыхление пород, образование подземных пустот, приводящих к обрушению и просадке сводов. Так в области развития лёссов на поверхности Земли наблюдаются формы, аналогичные типичным карстовым формам – воронки, замкнутые западины и т.п.

Изучение карстовых и карстово-суффузионных явлений имеет большое практическое значение.

С некоторыми карстовыми полостями связаны месторождения рудных полезных ископаемых. Источником рудных компонентов могут выступать как нерастворимые компоненты карстующегося массива (терра-росса на дне карстовых полостей), так и привнесённые в карстовые полости осадки с других рудных объектов. С карстовыми полостями связаны некоторые месторождения фосфоритов (карстовые фосфориты полуострова Флорида в США содержат до 35-40% P₂O₅), никелевых руд (на Урале такие руды одержат 1,5-2,5% Ni), бокситов, железа, марганца, ртути, сурьмы и пр.; отмечаются россыпи золота, касситерита, алмазов и другие полезные ископаемые.

Без учёта характера протекания этих явлений невозможно проектирование и возведение зданий, сооружений и транспортных путей. Кроме того, с некоторыми пещерами связаны залежи полезных ископаемых, из обводнённых пещер добывают воду. Холодные пещеры-ледники служат в качестве природных «холодильников» и снабжения льдом. Для некоторых районов весьма существенной статьей доходов служит спелеотуризм – подземные залы со сталактитами, сталагмитами и другими натёчными формами очень живописны, в некоторых крупных карстовых пещерах оборудованы даже концертные залы. Особенности глубоких пещер – постоянство температуры и влажности, содержание в воздухе ионов, отсутствие аллергенов и пр. – используются в лечебных и бальнеологических целях.