Карстовые и суффозионные процессы

Санкт-Петербургский  государственный 

архитектурно-строительный университет 

Кафедра геотехники 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

«Карстовые и суффозионные процессы» 

                    Выполнила: студентка группы 4-ПГСу-2

                                     Е.В. Петухова

          Проверил:  Р.А. Усманов 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

Содержание.

1. Введение…………………………………………………………….. стр. 3
2. Теория карстовых процессов……………………………………..   стр. 6

3. Географическое  распространение процесса……………………..  стр. 12

4. Суффозия……………………………………………………………..стр. 15

5. Заключение………………………………………………………….  стр. 17
6. Список использованной литературы……………………………… стр. 17
 

1. Введение.

     Название  плато Карст (Крас) в Словении дало имя целому комплексу процессов  и типов рельефа. Чем же необычно это плато? Известняки, слагающие его территорию, значительно пострадали от разрушающего и растворяющего воздействия воды. В результате поверхность плато покрылась желобками и воронками.

     Проникающая по трещинам вода постепенно их расширила, образовались пустоты, которые, соединяясь, сформировали гроты и пещеры.

     Карст — комплекс форм рельефа, созданный  в результате химического выветривания. Капли дождя, подземные и наземные воды являются прекрасными растворителями горных пород карбонатного состава — известняков, мраморов, доломитов, гипсов. Похожие формы рельефа образуются в мёрзлых или засоленных породах (их называют «псевдокарст»).

     Если  растворимые породы находятся только на поверхности, образуется так называемый голый карст — комплекс поверхностных форм рельефа, характеризующийся узкими протяжёнными ложбинами, бороздами — каррами, воронками, котловинами. Когда растворимые породы перекрыты сверху нерастворимыми или более устойчивыми к растворению слоями, то процесс растворения происходит под землёй. Это явление называют закрытым карстом.

Карстовый процесс начинается с проникновения  воды в трещину, постепенного растворения  породы и образования подземной  полости, а также небольших воронок над трещинами и полостями. В середине такой воронки есть отверстие — понор, через которое вода просачивается вниз. Разрастаясь, воронки сливаются, и возникают котловины. Рыхлые породы под полостями проседают и со временем обрушиваются. Теперь полости выглядят как провалы, которые, сливаясь, создают замкнутые бессточные котловины — полья. Обрамляют котловины останцы некогда сплошного карбонатного массива.

Карстовые явления широко распространены по всей планете. Встречаются они и в  горах (например, в Доломитовых Альпах, горах Балканского полуострова, на Динарском нагорье), и на равнинах (например, на Великих Американских равнинах, на Русской и Туранской равнинах).

     Наиболее  эффектны формы карстового рельефа  в жарких влажных тропиках. Тропический карст в Южном Китае, во Вьетнаме, Таиланде называют «башенным» — это останцовые горы в виде башен, столбов, пик, конусов, покрытые тропическим лесом. В тропических карстовых котловинах расположены живописные озёра и морские заливы.

     Карст на острове Куба носит название моготе. Так по-испански называют крутостенные конические и куполообразные останцы известнякового массива. В основании моготе образуются ниши и небольшие гроты, где после тропических ливней скапливается вода. В Пуэрто-Рико карстовые останцы называют «пепино» — по-испански «огурец», что указывает на их коническую форму.

     Интересный рельеф формируют карстовые процессы в прибрежных районах. Если берег моря, озера или широкой реки сложен известняками, доломитами или другими податливыми к химическому растворению породами, как, например, на Азовском море, Каспии, побережье Кипра и т.д., то на земной поверхности и склонах образуются полукруглые лунки, создающие причудливый кружевной узор. Ходить по такому участку непросто — острые края лунок могут поранить ноги, порвать лёгкую обувь. У уреза воды нередко возникают гроты, ниши, являющиеся входами в подводные пещеры. В этих местах карстовые процессы усиливаются действием прибоя.

     Для развития карста благоприятно обилие осадков, в том числе и ливневых, а также влажный климат. Однако в последние столетия человек тоже вносит свою видимую лепту в развитие карста. Сейчас склоны Динарского нагорья — белёсые и каменистые, покрытые кустарником, переходящим у подножий в редкие леса. Еще в XV—XVI веках эти склоны были покрыты густыми лесами с пышной средиземноморской растительностью, но их частично вырубили для строительства флота, значительные лесные массивы пострадали от пожаров и были сведены выпасом скота. Так склоны оказались не защищенными от снега и дождей, что привело к активизации карстовых процессов.

     Но  самыми известными, впечатляющими и  загадочными формами карстовых процессов являются пещеры.

     Рис. 5. Карстовые пещеры 

2. Теория  карстовых процессов.

     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.¹

     Карстовые явления распространены чрезвычайно  широко. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для развития. Вместе с тем 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.

     Географы  и геоморфологи рассматривают карст  как геоморфологическое явление, обращая особое внимание на изучение карстовых форм; геологи видят в нём полигенетический процесс; гидрогеологи и инженеры-геологи понимают карст как единство или совокупность процесса и явления.

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

     Не  все природные полости являются карстовыми. К ним, например, не относятся:

     а) Раскрытые тектонические трещины;

     б) Пустоты в лавовых потоках;

     в) Полости в гидротермальных и  пегматитовых жилах.

     Карстующимися породами являются:

• известняки (порода, целиком состоящая из минерала кальцита);

     Как правило, органогенного происхождения, образуются в океанах на значительных глубинах, представляют собой известковые  останки морской флоры и фауны.

• 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;
• конгломераты;

     Окатанная галька любого состава, сцементированная известковым цементом с примесью песка. Растворяется известь, а галька выносится механически.

• брекчии;

     Отличается  от конгломерата неокатанностью сцементированных обломков.

• песчаники (сцементированный известковым цементом песок различного состава;
• вулканические туфы (также содержат известковую составляющую, которая может легко растворяться).

     В трудах Ф.П. Саваренского и Д.С. Соколова показаны условия развития карста.²

     С некоторыми уточнениями это:

       во-первых, наличие растворимой в  природных водах горной породы, как правило (исключением являются  случаи поверхностного контактного выщелачивания) водопроницаемой вследствие трещиноватости или пористости;

     во-вторых, наличие растворителя, т.е. воды, агрессивной  по отношению 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 климатом и почвенно-растительным покровом, третье – с геоморфологическими и гидрологическими условиями помимо геологической структуры и гидрогеологических особенностей.

     Разрушение  горных пород связано со следующими факторами:

• Эрозия – механическое разрушение горных пород водными потоками.
• Коррозия – химическое растворение горных пород водой (в том числе – биологическая коррозия – растворение горной породы органическими кислотами и другими продуктами жизнедеятельности).
• Нивация – разрушение горных пород снежным покровом.
• Гляциальные процессы – разрушение ледниками.
• Суффозия – выщелачивание растворимых солей почвы и вмывание в глубину тончайших нерастворимых частиц горных пород токами воды.
• Гравитационные процессы (обвалы и проч.).

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

     Среди карров в генетическом аспекте следует  различать:

     1. Формы, возникшие на оголенной  поверхности растворимой горной  породы.

     2. Формы, образовавшиеся под почвенно-растительным  покровом с последующим его удалением.

     Карры второго типа известны во многих странах  мира. «Классические известняковые «мостовые» в Малхеме, а также в Пенинских горах, как полагают, сформировались под почвенным покровом, который позднее был размыт.

     Морфологически карры подразделяются на желобковые, стенные, лунковые, трубчатые (в виде трубообразных цилиндрических углублений в гипсах), каменицы, карры в виде следов, бороздчатые, меандровые, трещинные.

     Некоторые ученые выделяют структурные карры, встреченные на Алтае: на крутом известняковом откосе выработаны карровые углубления в химически относительно чистом известняке, разделенные узкими гребнями, которые соответствуют сильнокремнистым прослойкам³.

     По  генезису особо выделяются желобковые и трещинные карры.

     Желобковые карры формируются под воздействием только атмосферных осадков, в результате трех первых фаз растворения известняка, без участия четвертой фазы, тогда как остальные типы карров образуются под действием 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.

     Выделяют  три основных типа карров в Западных Татрах: стоковые, трещинные и эгутационные. Возникновение последних связано с действием воды, капающей на поверхность известняка со снежных покровов. Стоковые карры подразделяются на образованные дождевыми водами, талыми снеговыми и водами, просачивающимися через почвенно-растительный покров. Если говорить о характере растворителя, то можно выделить еще карры, созданные речной водой и морской водой – морские карры. Встречаются лунковые карры, они распространены в морском карсте, таким образом, намечается несколько генетических классификаций карров, в которых предусматривается наличие или отсутствие прямого или косвенного влияния почвенно-растительного покрова, учитывая источник и характер растворяющей воды, пути удаления растворенного вещества.

     Карстовые желоба и рвы (более глубокие и  обязательно с крутыми бортами) 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 ширины и глубины. На концах они замкнуты, на дне могут иметь многочисленные углубления. Прямолинейные рвы в известняках, разработанные по вертикальным тектоническим трещинам, шириной 2-4 м и глубиной до 5 метров (в Югославии их называют богазами).

     Среди карстовых воронок выделяют три  основных генетических типа:

• Воронки поверхностного выщелачивания, или чисто коррозионные.

     Образуются  за счет выщелоченной на поверхности  породы через подземные каналы в растворенном состоянии.

• Провальные воронки, или гравитационные.

     Образуются  путем обвала свода подземной  полости, возникшей за счет выщелачивания  карстующихся пород на глубине и  выноса вещества в растворенном состоянии.

• 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 удаления через них во взмученном и взвешенном состоянии.

     Распространен и переходный тип между типами 2-м и 3-м. Кроме трех основных типов  и переходного могут быть отмечены еще несколько типов. Генетически 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.

     Воронки всех генетических типов, сливаясь своими краями, образуют сдвоенные, строенные  и более сложные ванны и  котловины. Крупные котловины в Югославии называют увала. Выделяют два основных типа: Увала – сложные, образовавшиеся посредством слияния нескольких больших воронок (вртача), с рядом углублений на дне, и плоскодонные котловины.

     Котловины могут относится к генетическим типам – поверхностного выщелачивания, провальному, просасывания, а также созданным в комбинации с другими процессами, например эрозионным. 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 следующие  виды:

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

     Крупные котловины чисто тектонического происхождения (грабены, синклинальные  прогибы) нельзя считать польями. При образовании польев обязательны выщелачивание и вынос растворенного вещества через подземные каналы. Поэтому в первую группу следует включить тектонически-коррозионные и тектонически-коррозионно-эрозионные полья, к которым, вероятно, относятся большая часть крупных польев Югославии.

     Широко  распространены полья второго типа, к ним относятся Шаорская и  Ахалсопельская котловины. Полья третьего типа обычно небольшие, неправильной лопастной формы характерные не только для карбонатного, но и для гипсового карста, встречаются даже в платформенных условиях.

     Карстовые останцы характерны в основном для  весьма зрелых стадий развития карста. Они многочисленны и разнообразны в быстро развивающемся соляном карсте. В карбонатном же в карсте останцы свойственны преимущественно тропическим областям, если не иметь ввиду мелкие, а также реликтовые формы, образовавшиеся в прежних тропических условиях. Для тропического карста характерны высокие и крутосклонные останцы в виде столбов, конусов, плоских башен и более мелкие конусообразные и куполовидные формы. Склоны останцов (моготе) могут быть голыми, изборожденными желобковыми каррами, 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 пронизаны пещерными ходами. Считают, что останцы образуются лишь в химически относительно чистых массивных известняках. Переход от поверхностных форм к пещерам типа гротов представляют навесы и ниши. Естественные мосты и арки чаще встречаются при обрушении потолка пещерных тоннелей, а иногда и ниш.

     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.

     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.

     В пещерах-ледниках существуют следующие  ледяные натечно-капельные и кристаллические образования:

• Остаточные.

     Если  нерастворимая часть карбонатной  породы (глинистые и песчанистые частицы) не уносится водными потоками, а остается на месте своего образования (так называемая «глинка»), то это элювий.

• Обвально-гравитационные. (Обвалы, глыбы, щебень.)
• Речные отложения – аллювий, аллювиальные. (Песок, галька, гравий.)
• Криогенные (продукты ледниковой деятельности, находятся в нижних частях нивально-коррозионных колодцев).
• Биогенные.
• Гуано (тропические пещеры), экскременты летучих мышей, в привходовых частях – кости упавших животных, стволы деревьев.
• 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. Все перечисленные формы имеют одно происхождение.

     б) Макаронины.

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

     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.

     г) Кристалликтиты.

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

     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.

     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.

     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.

     е) Пленки, забереги, оторочки, блюдца – по берегам подземных озер.

     Интенсивность карстообразования зависит от следующих  факторов:

     1. Уровень грунтовых вод. 

     (Пример: Московская область, карстующиеся  породы имеют мощность до сотни метров, найден погребенный карст, но современный карст практически отсутствует. Причина: грунтовые воды залегают 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 (более интенсивны нивальные процессы).

     5. Рельеф.

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