(рис 4)Ледниковая пещера на краю ледника Фолл, Шпицберген.
1.3 Классификация карста и вопрос о его районировании
На международной спелеологической конференции в Брно (1964 г.) была предложена классификация карста СССР, основанная на совмещении шести морфолого-генетических и пяти литологических типов. Теперь эта классификация дополнена и здесь будет также говориться о типах карста, которые не встречаются на территории бывшего СССР, но известны в других странах, преимущественно в тропических широтах.
Выделенные морфолого-генетические типы существенно отличаются друг от друга морфологически и генетически различными поверхностными, а иногда и подземными карстовыми формами и их сочетаниями. Литологические различия учитываются уже при выделении типов, потому что разная растворимость горных пород, скорость растворения и быстрота насыщения растворителя, различия в процессах растворения карбонатных и некарбонатных пород, их разные изменения от температурных, а поэтому и климатических условий - все это влияет на особенности развития карста, его морфологию и инженерно-геологическую оценку.
Полученные при совмещении морфолого-генетической и литологической классификаций типы карста группируются в два класса равнинного и горного карста (с подклассами низкогорного, среднегорного и высокогорного).
М.М. Свитинг выделяет четыре основных типа карста:
1. настоящий карст (холокарст);
2. флювиокарст;
3. гляциально-нивальный карст, включая карст области вечной мерзлоты;
4. аридный и семиаридный карст (причем последний тип рассматривается в главе о тропическом карсте и характеризуется лишь особенностями его тропических и субтропических вариантов).
Наметки подобной общегеографической классификации давались ранее, однако представляется, что выделенные Свитинг общегеографические типы карста слишком широки, каждый из них включает по несколько типов более дробной классификации Гвоздецкого, учитывающей не только общую физико-географическую обстановку развития карста, но также и характер и толщину покрова над карстующимися горными породами (выделение одного типа флювиокарста этого не дает) и очень важные литологические особенности.
Гвоздецким были выделены следующие морфолого-генетические типы карста: 1) погребенный, или ископаемый карст; 2) бронированный карст; 3) покрытый карст; 4) задернованный карст; 5) полузадернованный и частично задернованный карст; 6) голый карст; 7) останцовый тропический карст (на территории бывшего СССР только реликтовый); 8) карст, развивающийся в условиях вечной мерзлоты; 9) морской карст.
Основные литологические типы, с которыми совмещаются морфолого-генетические, следующие: 1) известняковый карст; 2) доломитовый карст; 3) карст в мраморах; 4) меловой карст, в том числе в мелоподобных мергелях; 5) гипсовоангидритовый карст; 6) соляной карст.
Полученные путем совмещения обоих классификаций типы карста именуются следующим образом: голый известняковый карст, покрытый гипсово-ангидритовый карст, погребенный меловой карст, причем такие типы могут быть отнесены к равнинному или горному классу.
Все морфолого-генетические типы карста, выделенные на территории СССР, встречаются и в других странах. Например, карст, сочетающийся с вечной мерзлотой, развит на Шпицбергене, в Канаде.
Останцовый тропический карст современный, хотя и достаточно древний по началу своего формирования, развит в тропических широтах. Он представлен несколькими подтипами: башенным, коническим и куполовидным карстом. Башенный (с плосковерхими крутосклонными останцами) и конический карст нередко называют заимствованными из немецкого языка международными терминами - «турмкарст» и «кегелькарст». Иногда останцы поднимаются среди краевых равнин, в других случаях они не связаны с ними и тогда сочетаются с многочисленными впадинами.
В тропических широтах распространены также морфолого-генетические типы, аналоги которых имеются и в карсте умеренных широт. К особому морфолого-генетическому типу тропического карста должен быть отнесен карст коралловых рифов, приподнятых над уровнем океанского прибоя.
Своеобразный вариант голого карста встречается в суббореальном поясе в области ледникового сноса, с которым здесь связана оголенность известняковой поверхности.
Поскольку карст существенно влияет на отдельные компоненты географического ландшафта и физико-географический комплекс в целом, то это позволяет рассматривать закарстованные территории в качестве особых географических ландшафтов. Их классификационный ранг определяется степенью влияния карста на разные компоненты ландшафта и ландшафт в целом. А эта степень влияния зависит в первую очередь от типа карста.
Отличие районирования карста от большинства других видов природного районирования заключается в прерывистости его распространения. Выделение региональных единиц, особенно более высокого таксономического ранга, основывается на выделении несплошных ареалов.
Поскольку само существование карста определяется литологическими условиями, то в основу районирования должны быть положены геологические (литологический и тектонический) факторы. Но, кроме того, необходимо учитывать и физико-географические условия, во многом определяющие особенности карста, зачастую его морфолого-генетический тип и классификационный ранг географического ландшафта закарстованной территории.
Может быть предложена следующая таксономическая система районирования карста: карстовые страна - область - провинция - округ - район. Внутри района при детальном исследовании рекомендуется выделять типологические единицы (участки разных типов карста), однако при необходимости в качестве индивидуальных единиц могут выделяться также подрайоны и микрорайоны.[3]
1.4 Методика карстовых исследований
Карстовый процесс не является непрерывным. Вековые, сезонные, даже суточные изменения режима температур, осадков и влажности воздуха влияют на его интенсивность. Поднятия и опускания вызывают смены периодов активизации и затухания закарстования. При движении вод от области питания к базису карстования происходит осаждение переносимых солей. Об этом свидетельствуют вторичная минерализация пустот в горных породах, кольматаж и заполнение макро- и микротрещин, натечные образования большой мощности в подземных полостях. Помимо неравномерности карстового процесса во времени весьма четко проявляется его неравномерность в пределах геологического пространства, обусловленная неоднородностью вещественного состава, структур и текстур горных пород, а также тектонической трещиноватостью.
Основными задачами карстолого-спелеологических исследований являются учет, прогноз и разработка мероприятий, предотвращающих вредное воздействие карста на хозяйственную деятельность человека. Изучение литологии и трещинной проницаемости карстующихся пород, как основных условий развития карста, должно способствовать решению этих задач.
Выделение типов и разновидностей пород, в различной степени подверженных закарстованию, проводится в первую очередь по их вещественному составу. Особое значение имеют количественные соотношения и структурные связи растворимых породообразующих минералов. Их определяют всеми современными методами, начиная с микроскопических и кончая химико-аналитическими, рентгеноструктурными, термическими, окрашивания, люминесцентными и инфракрасной спектроскопии. Особую роль играет выяснение характера вторичных процессов, изменяющих проницаемость пород: доломитизации, перекристаллизации, сульфатизации.
Важным моментом является анализ нерастворимых примесей. При этом необходимо не только выяснить минералогию нерастворимого остатка, в зависимости от которой уменьшается или увеличивается водопропускная способность породы, но и установить гранулометрический его состав, который определяет соотношение коррозии и эрозии в карстовом процессе. Структурные и текстурные характеристики породы, зависящие от ее вещественного состава, условий отложения и преобразования осадка, исследуются при литолого-фациальном анализе, проводимом как в полевых условиях, так и камерально. Под микроскопом изучаются большие шлифы, где можно наблюдать переход одних участков микроструктур в другие, выяснить характер вторичных процессов. В таких шлифах необходимо определять поровую и микротрещинную проницаемость. Для выделенных разновидностей пород следует определять вводно-физические и инженерно-геологические характеристики. После статистической обработки характеристик пород, полученных в полевых и лабораторных условиях, можно выделить ряд факторов, влияющих на скорость карстообразования, морфологию карстопроявлений и интенсивность карстового процесса.
Результаты аналитических работ позволяют построить ряд карт и схем. Эти карты могут служить основой для карстологического районирования и прогнозирования хода современных геодинамических процессов.
Исследование трещиноватости горных пород проводится поэтапно. Каждые последующий этап может быть результативным лишь при условии выполнения предыдущего этапа и получения соответствующих вторичных материалов.
На первом этапе при проведении полевых исследований собирают фактический материал. Традиционные методы изучения трещин позволяют выявить и задокументировать элементы их ориентировки в пространстве, характер поверхностей, размеры элементов трещин (протяженность, зияние), состав и степень заполнения, данные по водоотдаче. Непосредственным измерением могут быть получены характеристики густоты трещин, однако в большинстве случаем для этого необходимы пересчеты на угол среза фронтом обнажения. Обязательной является фиксация приуроченности трещин к элементам тектонической структуры и литологическим комплексам пород, а также расположения трещин в пределах обнажения и размеров исследуемых площадок.
В настоящее время все большее значение приобретают фотометоды: фототеодолитная съемка и аэрофотосъемка, позволяющие не только сократить время проведения полевых исследований, но и повысить точность измерения крупных трещин, дешифрируемых на снимках, а также оконтуривать и привязывать с высокой точностью к картам участки с разнотипной трещиноватостью. Эти методы дают возможность изучить крупные и редкие трещины, обнаруживаемые по изменению отражающей способности грунтов, малым формам рельефа, характеру распределения растительность. Зачастую карстовые формы рельефа приурочены к таким трещинам (либо к их пересечениям), а полости и пещеры ориентируются вдоль них. Первичным материалом в этом случае является фотоснимок и элементы его привязки к местности и аппаратуре. Чтобы перейти к статистической обработке данных о трещиноватости необходим камеральный этап дешифрования снимка и схема зафиксированной на нем информации с применением стереокомпараторов.
В последнее время широкое распространение получили методы морфоструктурного анализа территорий по крупномасштабным топографическим картам. Их можно рассматривать как родственные фотометодам, однако, поскольку при этом используются вторичные материалы (карты, построенные с применением стереофотограмметрии), отражающие главным образом элементы рельефа, гидрографической и эрозионной сети, то в этом случае могут быть выделены еще более крупные линеаменты. Для изучения проницаемости горных пород целесообразно применять петрографические методы изучения трещиноватости в шлифах и пришлифовках, когда объектом исследования являются малые и микротрещины.
Второй этап изучения трещиноватости заключается в статистической обработке первичного материала, что позволяет перейти к характеристике трещиноватости как совокупности тесно связанных между собой генетически и приуроченных к определенным геологическим телам трещинных систем. Применяемые методы определяют детальность и достоверность выводов при последующем анализе трещиноватости. Важное значение приобретает учет точности исходных данных. Моделировка поверхностей трещин приводит к снижению точности их ориентировки, что вынуждает при составлении распределений трещин ранжировать замеры по классам увеличенной ширины.
Статистическая обработка первичного материала позволяет сгруппировать материал в соответствии с геологической задачей, получить описательные характеристики трещиноватости, выполнить графические построения, рассчитать статистику распределений и выявить основные системы трещин, вычислить значения густоты трещин различных направлений и суммарной густоты, оценить обусловленную трещиноватостью анизотропию свойств разреза. К сожалению, изучение трещиноватости часто носит описательный характер, реже - сравнительный характер и завершается составлением роз-диаграмм азимутального типа. Остаются неиспользованными возможности выявления связей трещиноватости с тектонической структурой района, с вещественным составом и инженерно-геологическими характеристиками пород, с обвовдненностью разреза. На третьем этапе анализируется трещиноватость. При этом используются результаты статистической обработки, рассматриваемые на фоне тектонической структуры, литологических, инженерно-геологических либо гидрогеологических характеристик разреза исследуемого участка. На данном этапе выбирается рабочая гипотеза, вычисляются статистики связей, и проверяется коррелируемость статистик распределений трещин с характеристиками изучаемых явлений, оценивается согласие распределения с рабочей гипотезой, анализируются не учтенные рабочей гипотезой влияния, устанавливаются закономерные, обычно стохастические, реже функциональные связи между трещиноватостью и изучаемыми явлениями. В результате можно получить математическую модель явления или одномерный (профиль), двумерный (разрез, план) либо трехмерный (карта) графический материал, характеризующий эту модель.
На заключительном этапе составляется прогноз исследуемого явления. Прогноз может использоваться для построения карт на участки, недостаточно охарактеризованные первичным материалом, но позволяющим оценить вероятность применимости полученной модели. Более сложным является прогноз динамики процесса, поскольку полученная модель не всегда допускает возможность непосредственной экстраполяции во времени.
Изучение параметров и характеристик трещиноватости, трещинной проницаемости, трещинной анизотропии разреза, а также выявление связей и влияния трещиноватости на гидрогеологические и инженерно-геологические характеристики карстующихся толщ, является необходимым, но не достаточным условием для составления прогноза хода карстового процесса и выработкой схемы мероприятий для снижения либо предотвращения вредных его воздействий на народное хозяйство и окружающую среду. В связи с этим большое значение приобретает специальное литологическое изучение скорости карстования различных генетических и структурных разновидностей карстующихся пород, влияния нерастворимых примесей на карстовый процесс, а также выявление при изучении вторичной минерализации пород и заполнителей трещинно-полостных систем признаков активизации либо затухания карста. В данном случае также целесообразно применение аппарата статистической обработки получаемых первичных материалов.
Внедрение в геологическую практику компьютерной техники позволяет резко сократить трудоемкость вычислительных операций и повысить эффективность карстолого-спелеологических исследований .[5]
Глава 2. Факторы карстообразования
Среди факторов, определяющих процесс карстообразования, Н.А. Гвоздецкий выделяет следующие: химический состав горных пород, их структуру, трещиноватость, покровные образовании и рельеф, силу тяжести, подземные воды, тектонические структуры, мощность карстующихся пород.[6]
2.1 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 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.
2.2 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.
2.3 Трещиноватость горных пород
