Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Подземный карст

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССКИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(БАШГУ)

Географический факультет

Кафедра геологии и геоморфологии

ПОДЗЕМНЫЙ КАРСТ

Курсовая работа

Выполнила:

___________ст.гр.1.5 Юламанова Д. А.

Проверил:

_________н.р.-м.н., доцент Швецов П. Н.

УФА-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Карст (от нем. Karst, по названию известнякового плато Крас в Словении) — совокупность процессов и явлений, связанных с деятельностью воды и выражающихся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а также своеобразных форм рельефа, возникающих на местностях, сложенных сравнительно легко растворимыми в воде горными породами (гипсами, известняками,мраморами, доломитами и каменной солью).

Вопрос карста действительно актуален для нашего времени, так как прецеденты были. 15 июля 1992 года в Дзержинске произошла катастрофа – ушёл под землю целый цех завода «Химмаш» и только по счастливой случайности обошлось без человеческих жертв. Это самое крупное происшествие в Европе, связанное с карстовыми провалами. Что касается более свежих новостей – в рабочем посёлке Бутурлино (всё той же нашей родной Нижегородской области) 10 апреля 2013 года (совсем-совсем недавно) вот так вот провалилось под землю три (!!!) строения. В яму сполз один нежилой деревянный дом, зерновой склад и жилой кирпичный дом. Жители окрестных домов, в общей сложности 33 человека, были эвакуированы. В поселке был объявлен режим чрезвычайной ситуации. И это всё – далеко не единичные случаи.

Цель данной работы – подробно описать подземный карст. На основании цели в работе поставлены следующие задачи.

Дать определение карста с различных точек зрения.
Описать карстующиеся породы и условия развития карста.
Перечислить и проанализировать подземные карстовые формы.
Описать механизм изучения и контроля карстовых процессов.
Описать натечно-капельные и кристаллические образования в пещерах.

1. КАРСТОВЫЙ ПРОЦЕСС

Скорость движения подземных вод мала, поэтому они воздействуют на рельеф большей частью не механически, а путем растворения горных пород. Растворяются известняки, каменная соль, гипс и некоторые другие породы. Растворяя породу, вода образует полости, пещеры, провалы и т. д. Весь этот комплекс процессов и образующихся в результате их наземных и подземных форм рельефа носит название карст – по названию плоскогорья Карст, или Крас (Kras), на северо-западе Балканского полуострова (Гвоздецкий, 1981).

Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для его развития. Карст существенно влияет на ландшафтные особенности территории, ее рельеф, сток, подземные воды, реки и озера, почвенно-растительный покров, хозяйственную деятельность населения.

Дренирующая способность карста усиливает недостаток влаги в засушливых областях и, наоборот, создает более благоприятные условия для развития ландшафтов в областях, избыточно увлажненных. Карст ведет к деградации вечной мерзлоты, также заметно улучшая природные особенности территории.

Существующие многочисленные определения карста отражают три подхода к этому сложному природному феномену.

Проблемами изучения карста и его распространением интересуются геологи, гидрогеологи, геоморфологи, гидрологи, физико-географы, ландшафтоведы, инженеры-проектировщики и строители, многие специалисты других областей знания.

2. ПОДЗЕМНЫЙ КАРСТ

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

Карстовые колодцы и шахты – это вертикальные или круто наклонные полости, различающиеся между собой по глубине; к шахтам относятся полости глубже 20 метров, достигающие нескольких 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.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся, в частности, глубочайшие карстовые полости мира, достигающие глубины 1000 метров и более.

Пещеры по их происхождению можно разделить на пять групп: тектонические, эрозионные, ледовые, вулканические и, наконец, самая большая группа — карстовые.

Большинство карстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместном действии растворения и размыва горной породы. При восходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщ и складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей. Известны значительные многоэтажные пещерные системы.

Карстовые пещеры - подземные полости, сообщающиеся с земной поверхностью или замкнутые, образуются при выщелачивании растворимых горных пород. Подразделяются на подтипы: коррозионно – эрозионный, нивально – коррозионный, коррозионно - гравитационный, коррозионно – абразионный и травертиновый.

Самая крупная пещера России по объему подземных пространств и протяженности внутренних ходов – Большая Орешная. Она относится к категории конгломератовых пещер и образовалась в конгломератах нижнего ордовика; считается самой крупной пещерой этой категорией в мире. Пещера Большая Орешная расположена в 3 км. Восточнее села Орешное, в долине Таежного Баджея, в Манском районе Красноярского края.

Пещера «Большая Орешная»

Подземное озеро в пещере «Большая Орешная»

В регионах с холодным климатом и суровыми зимами в подземные карстовые полости проникает морозный воздух и застаивается там так, что даже летом температура воздуха в них близка к нулю или отрицательна. В таких случаях на потолке и стенах пещеры начинают образовываться лёд в виде корок, кристаллов, ледяных сталактитов и сталагмитов. Из таких ледяных пещер наибольшей известностью пользуется знаменитая Кунгурская ледяная пещера. Она находится в Пермской области (Северный Урал), это одна из самых крупных пещер России (длина ходов пещеры составляет 5,6 км.)

2.1. Карстуются следующие породы:

известняки (порода, целиком состоящая из минерала кальцита);
мергели (известняк с глинистой составляющей более 5%);
меловые породы (разновидность известняка из останков планктонных водорослей);
доломиты, доломитизированные известняки (известняк с примесью минерала доломита СаMg[CO₃]₂);
гипсы (порода, целиком состоящая из минерала того же названия – гипс СаSO₄*2H₂O);
ангидриты (как порода состоят из минерала ангидрита (безводного гипса) CaSO₄ );
соленосные толщи;

Соответственно выделяют три типа карста – карбонатный, гипсовый и соляной.

Кроме того, растворению может подвергаться карбонатный цемент обломочных пород: (конгломератов, песчаников, а также известняковые вулканические туфы.). (По Ф.П. Саваренскому и Д.С. Соколову) (1962)

Условия развития карста:

1) Наличие растворимой в природных водах горной породы, как правило (исключением являются случаи поверхностного контактного выщелачивания) водопроницаемой вследствие трещиноватости или пористости;

2) Наличие растворителя, т.е. воды, агрессивной по отношению к горной породе;

3) 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 климатом и почвенно-растительным покровом, третье – помимо геологической структуры и гидрогеологических особенностей, с геоморфологическими и гидрологическими условиями.

Выделяют поверхностный и подземный карст.

К поверхностным карстовым формам относятся карры, желоба и рвы, воронки, блюдца и западины, котловины, полья, останцы. Объектом настоящего исследования является только подземный карст.

2.2. Стадии образования пещер.

Образование пещер происходит в определенной последовательности.

Трещинная стадия – водозная (воклюзовая) – натечно-осыпная – обвально-цементационная.

Стадии формирования полости идут последовательно, и каждая новая является следствием предыдущей.

Различные авторы выделяют еще дополнительные промежуточные стадии, но мы будем руководствоваться этой достаточно простой схемой. Важно запомнить, что каждая стадия применима не ко всей пещере в целом, а к отдельным ее фрагментам, каждый из которых может находиться на своей стадии развития. Особенно это проявляется в полостях, характеризуемых сложным строением (каскадные шахты, многоярусные пещеры).

Трещинная стадия.

Именно с образования разломов и системы трещин (тектонических нарушений) начинается образование каждой пещеры. Нарушения земной поверхности появляются при подвижках земной коры и землетрясениях. Расположение нарушений в пространстве массива (могут быть ориентированы в любой плоскости), а также относительно друг друга (пересекаться или идти параллельно) - все это определяет облик каждой пещеры. Даже в одной пещере встречаются различные «составные» элементы, которые образуются по разному.

Водозная (воклюзовая) стадия.

На данной стадии в пещере появляется свободно текущая или стоячая вода. Вода проникает в трещины либо при наличие поверхностного водосбора, либо в случае если нарушение вскрывает подземный водоносный горизонт. Под воздействием воды трещины начинают расширяться, формируя пещеру.

Натечно-осыпная стадия.

Зачастую за счет уничтожения склоновой денудацией поверхностных водосборов или вреза речной долины, поступление воды в прежних объемах замедляется или прекращается вовсе, в пещере осушаются целые залы, галереи, колодцы. Начинается натечно-осыпная стадия. На данной стадии в пещерах начинают формироваться разнообразные натечные формы.

Обвально-цементационная стадия.

Данная стадия является завершающей в процессе существования пещеры. На данном этапе в пещере часто происходят разрушения сводов и стен, с образованием различных обвальных отложений.

2.3 Интенсивность карстообразования.

Интенсивность карстообразования определяет:

1. Уровень грунтовых вод.

Например в Московской области, карстующиеся породы имеют мощность до сотни метров, но современный карст практически отсутствует, так как грунтовые воды залегают всего на глубине 5-10м.

2. Химическая инертность пород.

Примеси магния резко снижают интенсивность карстообразования. (Пример: Скалистый хребет в Северной Осетии.)

3. Примеси глинистого материала. Микротрещины забиваются глинистыми частицами (кольматация трещин), поэтому карст не развивается по мергелевым толщам.

4. Экспозиция склона.

Более благоприятен северный склон, так как там больше влажность и дольше держится снеговой покров, поэтому более интенсивны нивальные процессы.

5. Рельеф.

Особенно благоприятны закрытые котловины, днища с откосами до 15 градусов.

6. Почвы.

Мощность и биология почв влияют на обогащение вод углекислотой и, следовательно, на интенсивность карстовых процессов. Особенно благоприятны горные черноземы, горные лесные почвы. Не благоприятны скелетные маломощные почвы.

7. Механические свойства пород. Трещиноватость, напластование.

Например в Арабике карст особенно интенсивен на участках, где пласты известняка залегают крутонаклонно или даже субвертикально.)

8. Количество осадков. Климат. Интенсивность испарения. Нивация.

Наример на Кавказе. Области мощного карстообразования находятся на высотах от 1000 до 2200м. Ниже слишком сухо, выше – большую часть года не сходит снежный покров.)

3. ОТЛОЖЕНИЯ ПЕЩЕР

В пещерах образуются следующие типы осадков:

1)Остаточные.

Нерастворимая часть карбонатной породы (глинистые и песчаные частицы) не уносится водными потоками, а остается на месте своего образования (так называемая «глинка»), в виде элювия.

Обвально-гравитационные. (Обвалы, глыбы, щебень.)
Речные отложения – аллювий, аллювиальные. (Песок, галька, гравий.)
Криогенные в ледниковых пещерах.

2)Биогенные.

Гуано (тропические пещеры), экскременты летучих мышей, в привходовых частях – кости упавших животных, стволы деревьев.

3)Хемогенные. Все виды натечных образований:

а) Сталактиты, сталагмиты, сталагнаты (сросшиеся в колонну сталактит и сталагмит), облицовка стен, занавеси, портьеры (если источник раствора не точечный, а линейный – щель), палки, пагоды, медузы, колонны, каменные плотины, каменные водопады.

Сталактиты.

Сталагмиты.

Сталагнаты.

б) Макаронины.

Если сталактит имеет сосулькообразную, коническую форму, то макаронины имеют по всей длине (до метра и более) примерно одинаковую толщину. Зерна слагающего её кальцита более крупные, полый канал в макаронине имеет диаметр до нескольких миллиметров, а у сталактита он очень тонкий. Сталагмит канала не имеет вовсе.

Макаронины.

в) Кораллиты (на западе их называют ботриоидами).

Механизм их образования до конца не ясен. Вероятно, они образуются диффузией ионов из окружающих пород через водные пленки, конденсирующиеся на стенах полостей. Обычно образуются на боковых стенках и дне пещер.

Кораллиты.

г) Кристалликтиты.

Пучки хорошо выраженных кристаллов кальцита (до первых см.), растущие из вершин кораллитов.

Кристалликтиты.

д).Геликтиты. (От греческого слова «геликос» – скрученный.)

Сталактит растет строго по вертикали, поскольку его рост контролируется силой тяжести. Рост геликтита контролируется не силой тяжести, а кристаллизационной силой. Кристалл представляет собой параллельные ряды атомов и следующий ряд подстраивается к предыдущему. Таким образом, рост происходит по оси роста кристалла, которая может быть ориентирована в пространстве как угодно.

Поэтому, направление роста геликтита также не зависит от силы тяжести. Скручивание происходит из-за примесей других атомов. Если в слое одинаковых атомов появляется чужеродный атом, то следующий слой не будет параллелен предыдущему, и направление роста кристалла изменится. Геликтит представляет из себя сросток параллельных волосовидных кристаллов кальцита или арагонита.

Геликтит.

е) Лунное молоко (moonmilk).

Представляет из себя зародыши кристаллов кальцита, рост которых блокировался адсорбцией ионов магния поверхностью зародышей. Поэтому уже образовавшиеся микрокристаллы далее не растут. Но раствор пересыщен карбонатом кальция и последний должен выпадать в осадок. Выпадают все новые кристаллы, рост которых тут же блокируется.

Лунное молоко.

ж)Антолиты. Игольчатые кристаллы легкорастворимых минералов (гипс и др.) на дне высохших луж, озер. Характерны для южных, тропических пещер, где влажность не высока и возможно высыхание. В условиях Кавказа иногда встречаются на значительных глубинах, где температура может увеличиваться на 5-10 градусов. В среднем температура пород увеличивается на 1 градус на каждые 33 м. глубины.

з) Пизолиты (пещерный жемчуг).

Неприкрепленная форма, округлые образования до 1-2см. в диаметре на дне подземных озер.

Пизолиты (пещерный жемчуг).

Наряду с растворением подземные воды способны в определённых условиях выносить из горных пород твёрдые частички чисто механическим путём. Это процесс суффозии. Она особенно проявляется на выходе восходящих источников напорных вод. Вынос источником глины и песка из водоносного слоя уменьшает постепенно объём слагающей его породы и вызывает тем самым просадку и обрушение части склона, расположенной под источником.

Осевшая порода размокает и уносится водой. Постепенно над источником в склоне образуется полукруглая выемка с крутыми склонами: суффозионный цирк – обычно небольших размеров. Суффозия на выходе подземных вод является одним из существенных факторов, способствующих возникновению оползней.

7.Карст и проблемы строительства

в Башкирии*

В общей сложности почти 50% территории Башкирии поражено карстом. Любое строительство в условиях карста сопряжено с большими трудностями, особенно в условиях сульфатного карста, который наиболее широко развит в западной и центральной частях Башкирии.

Современная активность карста и скорости карстовой денудации в этих условиях настолько велики, что при условии сосредоточенного развития процесса по отдельным зонам за амортизационные сроки службы сооружений могут возникнуть полости, а на поверхности провалы. В связи с этим остро встает вопрос не только оценки карстовой опасности, но и прогноза карстового процесса. К тому же, как показывает опыт, все активнее обратная связь, то есть влияние застройки на активизацию карста.

До последнего времени при строительстве закарстованные участки удавалось избегать и они в виде неосвоенных массивов оказались внутри некоторых городов, вблизи промышленных зон. В настоящее время такие участки начинают осваиваться, особенно в городах Уфе, Благовещенске, Октябрьском, Туймазах. Это стало возможным благодаря познанию некоторых закономерностей распространения и развития карста в Башкирии, совершенствованию методики изучения карста, разработке принципов детального районирования территории по степени закарстованности.

Для стадий выбора площадок под промобъекты и технико-экономического обоснования по территории Башкирии составлены обзорные карты типов карста и распространения поверхностных карстопроявлений, в основу которых были положены результаты дешифрирования аэрофотоматериалов. Масштабы карт 1:1000000 и 1:500000. В комплекте с дополнительным дешифрированием они позволяют дать предварительную оценку степени карстовой опасности выбранных вариантов площадок для строительства.

* При написании настоящего раздела использованы материалы В.И.Мартина, 1967.

На последующих стадиях проектов детальной планировки и технорабочего проектирования промышленного и гражданского строительства ведется конкретная оценка карстовой опасности:

- с использованием результатов региональных исследований;

- по данным детального маршрутного обследования, опроса жителей и дешифрирования аэрофотоматериалов;

- с помощью комплексных геофизических исследований;

- путем бурения параметрических скважин.

При этом глубина скважин назначается исходя из установленной закономерности проявления карста на поверхности, определяемого пределами 60-80 м, а число их – с учетом количества инженерно-геологических элементов и аномальных зон, требующих проверки. Конечным результатом является районирование территории по степени устойчивости с выделением шести категорий, согласно рекомендациям ПНИИИСа Госстроя СССР 1967 года издания. По этой методике в настоящее время в Уфе и других городах Башкирии ведется инженерно-геологическая оценка и освоение территорий, ранее считавшихся непригодными для жилищного и промышленного строительства.

Установлено, что карст носит локально-очаговый характер. Это положение, а также возросшие знания о закономерностях карстового процесса и расширившиеся методические возможности позволили на новом уровне подойти к оценке таких участков и начать их освоение. Примерами могут служить микрорайон ЦЭС-2, в определенной мере «Зеленая Роща», 5-й микрорайон в Деме и др. В их пределах проведено микрорайонирование. Значительная часть территории отнесена к устойчивой, где строительство возможно с применением ограниченного комплекса противокарстовых мероприятий. Успешно проведены были подобные изыскания с оценкой карстовой устойчивости в ряде микрорайонов гг.Октябрьского, Туймазов, Благовещенска.

Промышленное строительство в Башкирии ведется за последние годы с большим размахом. Начинается расширение и реконструкция ряда существующих промышленных предприятий. В этом случае особенно остра проблема оценки карстовой опасности. В стадиях их заложения удалось в большинстве случаев избежать карст, опасные участки остались за пределами промплощадок, но вблизи их. Сейчас уже приходится осваивать эти опасные территории. К примеру, ряд предприятий были построены на междуречье Шугуровки и Белой действительно в устойчивых условиях, а сейчас расширение их ведется в основном в сторону склонов, то есть, в карстоопасную зону.

Широкое развитие карста на территории Башкирии не было учтено при составлении плана укрупнения населенных пунктов. В результате превращение их в поселки городского типа оказалось затруднительным. Прежде всего, проекты планировок многих из них составлены без должного учета карстовой опасности, без предварительного инженерно-геологического районирования. К таковым, в частности, относится село Кармаскалы, где под каждое новое здание (клуб, школа и т.д.) приходится вести специализированные изыскания не менее чем под 3-4 варианта площадок, прежде чем выявится пригодный для застройки. Отсутствие подобных работ по оценке карста на стадиях проекта детальной планировки и техпроекта по отдельным микрорайонам в Уфе и Благовещенске привело к пересоставлению уже разработанных проектов застройки, согласно проведенному позднее микрорайонированию.

В связи с развернувшимся строительством животноводческих комплексов, развитием гидромелиорации и борьбой с эрозией в республике ведется большое строительство прудов и водоемов. Строительство их на закарстованных площадях экономически нецелесообразно в связи с необходимостью осуществления комплекса дорогостоящих противофильтрационных мероприятий. Поэтому задача состоит в изыскании участков, безопасных в карстовом отношении. Примером подобного решения вопроса является создание пруда в колхозе «Правда» Аургазинского района на месте древней карстовой депрессии, выполненной мощной толщей неогеновых глин.

Помимо сульфатного и сульфатно-карбонатного карста, большую опасность для прудов представляют и карбонатный карст в районе Татарского и Башкирского сводов. Кроме того, здесь определенную опасность представляют и загипсованные песчаники в разрезе уфимского яруса. В качестве примеров успешного проведения изысканий, смелых проектных решений и строительства являются плотины на р.Уфе у Павловки и на р.Нугуш у пос.Нугуш. Они построены в сложных условиях карбонатного карста и успешно эксплуатируются уже 15-20 лет.

Прокладка многочисленных трасс для транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов также постоянно осуществляется через закарстованные зоны. Главной задачей в этом случае является оценка современной активности карста, то есть вероятности возникновения карстовых провалов и их максимального размера. Если же эти показатели оказываются велики, то целесообразным является обход такой зоны.

Строительство шоссейных дорог высокого класса и особенно прокладка новых железнодорожных магистралей через Башкирию (Белорецк-Чишмы, обходная в районе Уфы) также неизбежно сталкиваются с трудностями, обусловленными карстом. Наиболее сложными при этом являются мостовые переходы.

Изучение причин возникновения карстовых провалов, образовавшихся за последние 15 лет в г.Уфе и его окрестностях, показало, что 80% случаев связано с хозяйственной деятельностью человека. Провалы в Старой Уфе на территории тубдиспансера (25.11.65, диаметр 4,5 м, глубина 6 м), на карстовом косогоре под зданием железнодорожной милиции (02.1966, диаметр 3 м, глубина 2 м), на улице Интернациональной (05.1970, диаметр 7,6 м, глубина 4 м), на улице Окружной (07.12.73, диаметр 6 м, глубина 4 м) и др. образовались прямо на трассах водопроводов вследствие утечек воды. Известно, что утечки воды из уфимского водопровода значительны. Если добавить сюда утечки из канализационных сетей, теплотрасс, то величина дополнительного круглосуточного питания вдоль трасс водонесущих коммуникаций достигает внушительных размеров. Следовательно, зоны трасс, проложенных в пределах потенциально карстоопасных районов в придолинной части, можно с полным основанием считать зонами с высокой вероятностью карстовых провалов.

Активизации карстового процесса и возникновению катастрофических провалов способствует также подрезка и планировка склонов. Убедительным доказательством тому является прокладка железнодорожного полотна вдоль карстового косогора в конце прошлого века. Это привело к исключительной активизации карстового процесса, не затухающей вот уже 100 лет. Лишь осуществление в последние годы ряда эффективных противокарстовых мероприятий, разработанных в 1934-1944 гг. Г.Г.Скворцовым, привело к относительной стабилизации активности карста. Свежим примером подобного вмешательства человека является грандиозное провальное углубление, образовавшееся в сентябре 1965 г. в верхней части правого склона долины р.Уфы. Длина его 50 м, ширина 20 м и глубина 3 м.