Моніторинг карстових процесів в Україні

Темою даної курсової роботи є карст. Завдання курсової роботи розкрити поняття карсту, дати опис основних підземних і поверхневих карстових форм рельєфу, характеризувати фактори, що впливають на розвиток карстового процесу і формування карстових форм рельєфу, знайти засоби захисту від карстових процесів при будівництві. Також спостереження за карстовими процесами та аналіз карстових процесів в Україні. Дослідити як впливає господарська діяльність на карстові процеси, дізнатись про умови розвитку карсту.

Актуальність теми- за останні десятиліття досягнуто значних успіхів у вивченні умов розвитку карсту в Україні.Відомо, що актуальність досліджуваних проблем зумовлена збільшенням площ закарстованих масивів (від локальних до регіональних), особливо у місцях експлуатації родовищ сульфатних порід, де спостерігалась значна зміна гідрогеологічних умов середовища, що часто призводить до порушення функціонування природних систем, сприяє розвитку процесів і явищ, які є небезпечними для людини, господарства тощо.

Мета роботи-ознайомлення з моніторингом карстових процесів, основними методами спостережень, аналізу і прогнозу карстових процесів.

Об'єктом дослідження є територія України, предметом дослідження карстові процеси на території України.

Виконання курсової роботи передбачає:

§ Проаналізувати особливості карстових процесів.

§ Описати типи та види карсту.

§ Оцінити чинники які впливають на розвиток карсту в Україні.

§ Спостереження за карстовими процесами в Україні.

§ Аналіз заходів захисту від негативних карстових процесів.

Розділ 1. Особливості карстових процесів

Карстові форми рельєфу об'єднують низку нерівностей земної поверхні та підземних утворень, які формуються шляхи розчинення низки гірських порід підземними, атмосферними, талими, морськими водами. Найпоширенішими є карстові форми у вапнякових та доломітових породах, зважаючи на їх велику розповсюдженість на поверхні земної кори. Крім того, ці породи слабко розчинні у дистильованій воді, але гарно розчиняються завдяки підвищеній кислотності природних вод за сприятливих кліматичних та гідрогеологічних умов, і так само швидко перевідкладаються на новому місці, що проявляється, зокрема, в утворенні натічних форм. Галіти, сильвініти, гіпси розповсюджені набагато менше, тому відповідні форми карсту також менше поширені та менше вивчені.

Карбонати, якими складені вапняки та доломіти, практично нерозчинні у чистій воді. Однак із зростанням у воді вмісту вуглекислого газу контактуючі з такою водою карбонати переходять у розчинні гідрокарбонати внаслідок надлишку карбонатних груп СО 3. Зворотній процес переходу кислих солей (гідрокарбонатів) у середні солі (карбонати) призводить до перевідкладення вапняків [5].

Наявність СО 2 у воді та карбонатних порід є необхідними умовами для розвитку класичного карсту. Проте на його розвиток впливає ще ряд факторів:

1. Рельєф. Розвиненість карсту залежить від тривалості дії води на породу, тому на пласких та слабконахилених поверхнях карстові процеси набувають кращого розвитку, ніж на сильно нахилених.

2. Клімат. Найбільш інтенсивно карстові процеси розвиваються в умовах достатньої кількості вологи при її періодичному надходженні, за відстутності появів вічної мерзлоти, шар якої зупиняє процес карстування вапняків. Таким чином, найкращі умови для розвитку карсту склалися у субтропічному, тропічному та помірному кліматичних поясах Землі.

3. Рослинність. Інтенсивний рослинний покрив забезпечує надходження до внутрішніх вод значної кількості гумінових кислот та вуглекислоти, що сприяє розвитку карсту.

4. Потужність шару вапняків: чим більша товщина шару, тим потужніший розвиток отримують карстові процеси, тим масштабніші карстові форми утворюються і тим характернішими є специфічні гідрогеологічні умови карстових областей.

5. Структура вапняків та їх цілісність. Однорідні вапнякові породи карстуються набагато краще, ніж крупноуламкові, наявність нерозчинних домішок у вигляді прошарків та лінз ускладнює розвиток карсту, а наявність розломів, тріщин та пор у породі сприяють проникненню води усередину вапнякового масиву та прискорюють карстування [4].

Вапнякові породи із розвинутими формами карстового рельєфу мають специфічний гідрогеологічний режим. Верхній "мертвий" горизонт аерації таких порід перебуває у сухому стані і зволожується лише під час випадання опадів. Волога у ньому під дією сили гравітації швидко просочується по карстовим лійкам, тріщинам, порожнинам тощо до нижніх горизонтів. Тому області суцільного розвинутого карстового рельєфу часто мають розріджений рослинний покрив, для розвитку якого не вистачає вологи, джерела підземних вод тут проявляються лише під час надходження вологи на денну поверхню (талі або дощові води).

У наступному шарі насиченість вологою коливається від практично повної до нульової в залежності від надходжень води зверху. Межі даного горизонту - верхнє та нижнє положення дзеркала грунтових вод. Джерела тут носять тимчасовий характер, але у періоди під'йому грунтових вод - достатньо витратні за дебітом [6].

1.2 Природні умови в Україні, що сприяють карсту

Рисунок 1.1 Поширення порід, що здатні до карстування, та розподіл карстопроявів у межах адміністративних областей України.

Розділ 2. Моніторинг карстових процесів в Україні

Серед карстових форм рельєфу переважають замкнуті від'ємні поверхневі (карри, понори, блюдця, лійки, улуговини, полья тощо) та підземні (глибинні) (печери, колодязі, шахти) форми карстового рельєфу

У тропіках, як вище зазначалося, часто зустрічаються додатні карстові форми рельєфу: башти, конуси, куполи тощо.

Карри (шрати) - система гострих гребенів та виступів розділених вимоїнами і глибокими борознами (до 2 м). Вони характерні для районів відкритого (голого) карсту і є результатом роботи поверхневих вод.

Каррові поля - покриті каррами простори, як правило, відкриті, позбавлені рослинності вапнякові плато (Крим, Кавказ) та прибережна смуга деяких морів (Адріатичного та ін.) [16].

Терра-росса (лат. - "червона земля") - характерна для карстових ландшафтів Середземномор'я нерозчинна, переважно глиниста кора вивітрювання червоного кольору, яка накопичується на поверхні порід, що карстуються. При значних об'ємах вона здатна закупорити карри і, навіть, припинити процес протікання карсту.

Понори - отвори (канали), що утворюються в тріщинах в місцях просочування води в глибину, в результаті розчинення порід.

Карстові блюдця - це незначні заглиблення (переважно овальної або округлої форми) на земній поверхні, в місцях поширення карсту. У породах під карстовими блюдцями виникає досить значна кількість понорів, які й викликають просідання земної поверхні.

Карстові лійки - конусоподібні форми рельєфу, які мають округлу або овальну форму в плані з добре вираженою бровкою. Їх діаметр може становити від декількох сантиметрів до 130 м, а глибина - до 25м.

За походження розрізняють три типи лійок: 1) лійки поверхневого розчинення утворюються в гирлах понорів в результаті розчинення водою порід, що карстуються і розширення понора; якщо понори закупорюються нерозчинними глинистими породами, то в районах з вологим кліматом у лійках утворюються озера; такі лійки характерні для областей відкритого (голого) карсту; 2) провальні лійки виникають в результаті обвалювання покрівлі карстових печер; 3) лійки просочування формуються в результаті розчинення порід, що карстуються на глибині і механічного виносу водою піщано-глинистих частин з поверхневих горизонтів в більш глибокі через понори; при закупорені понорів збільшення таких лійок уповільнююється, або припиняється зовсім [17].

Сліпі яри - утворюються внаслідок злиття карстових лійок, розташованих в одну лінію.

Увала' - чудернацькі форми рельєфу глибиною близько 30 м, а шириною до 700 м, утворені з карстових лійок.

Карстові колодязі (провалля) виникають при розширені тріщин і понорів (внаслідок розчинення порід), або при обвалюванні склепінь підземних порожнин, дна лійок. Вони мають прямовисні стінки.

Карстові шахти - формуються в результаті подальшого розширення колодязів або успадковують глибинні тріщини і бувають як горизонтальними, так і вертикальними. Вони мають значно більшу глибину, ніж карстові колодязі.

Карстові улоговини утворюються в результаті злиття окремих декількох карстових лійок, іноді їх формуванню сприяють тектонічні рухи і розломи земної кори. Вони являють собою замкнуті або відкриті в 2-х напрямках плоскодонні зниження довжиною до 1000 м, глибиною - десятки метрів, а ширину мають у 2-5 разів меншу від довжини. Для більшості з них характерні круті схили і складне дно (Ай-Петрінська яйла в Криму).

Полья - замкнуті зниження великого розміру (до сотень кмІ), як правило, з крутими схилами висотою до кількох сотень метрів і плоским дном, над яким можуть височіти останці. Інколи по дну протікає тимчасовий або постійний водотік, що зникає в понорах. Для дна окремих польїв характерна наявність озер. Утворюються полья внаслідок злиття великої кількості карстових лійок та блюдець.

Печери - порожнини в поверхневих товщах земної кори різноманітної форми і розмірів, які сполучаються з поверхнею одним або кількома отворами.

Якщо печера має один вихід її називають сліпою, а якщо печера має виходи з обох боків - прохідною. Сліпі печери поділяють на холодні та теплі. Холодні печери мають вихід, який розміщується вище підземної порожнини, де застоюється холодне зимове повітря і навіть накопичується лід. У теплих печерах вихідний отвір розміщується нижче її підземної порожнини і тепле літнє повітря витісняє з неї холодне зимове повітря [11].

2.3 Вплив господарської діяльності на карстові процеси

На території України техногенний карст формується в карбонатних, сульфатних і галогенних породах, що карстуються. Його поширення має переважно локалізований характер, що зумовлено природними (місце розташування родовищ) та суспільними (можливість експлуатації) причинами.

До основних типів господарського освоєння територій, що впливають на розвиток техногенного карсту в межах України, можна віднести:

1 - зміна якості підземних вод, пов'язаних із закачуванням різних рідин і води. Так, при підземній виплавці самородної сірки в Передкарпатті, за час експлуатації родовища до катастрофічного розвитку техногенного карсту призвело порушення водного режиму, в результаті фільтрації від сіркодобувних свердловин в бік розвантаження, котра здійснювалася уздовж тектонічних порушень. При інтенсифікації припливів нафти до видобувних свердловинах шляхом закачування в пласт значних обсягів соляної кислоти з концентрацією 10-20%, яка активно розчиняє карбонатні породи, навколо привибійної частини свердловини утворюються тріщинно-карстові порожнини;

2 - водозниження: найбільш яскравим прикладом розвитку техногенного карсту в цих умовах є територія Язівського родовища сірки в Передкарпатті. Проведення водознижувальних і осушувальних робіт в районі Язівського родовища призвело до того, що рівень основного водоносного горизонту (верхнійнижній тортон) знизився на 85 м, утворилася депресивна воронка в межах якої виділилося 10 ділянок, що належать за кількісними параметрами закарстованості до вельми нестійких, а три з них - долини річок Шкло і Терешки і майданчик водосховища Новий Яр - до катастроффічних. Тут середньорічна кількість можливих карстових проваль складає відповідно: 20.8, 13.3 і 13.8 воронок на 1 кмІ в рік, активність карсту через підвищення швидкостей і агресивності підземних вод зросла в десятки разів. На сьогоднішній день в результаті тривалої розробки родовища утворилися лінзоподібні порожнечі висотою 5-10 м і в діаметрі 80- 100 м, що представляють потенційну небезпеку цілісності земної поверхні. Не менш небезпечним випадком прояву техногенного гіпсового карсту є периферія Миколаївського кар'єра глин, який виявив своїм днищем обводнені гіпси Тортону, що було результатом збільшення водовідливу з кар'єру. Кількість провалів земної поверхні збільшилася, було повністю виведено з ладу 2 кмІ орних земель, деформовано полотно автомобільної дороги;

3 - потрапляння під землю значної кількості води для видобутку легко розчинних підземних копалин. Наприклад, Солотвинське родовище кам'яної солі, розташоване в межах складної солянокупольної структури, що порушена плікативною і диз'юнктивною тектонікою. У зв'язку з некерованою активізацією карстових процесів, раніше експлуатована шахта № 7 повністю затоплена. На місці шахтного стовбура утворилася воронка діаметром близько 150м. На шахті № 8 продовжується розмив покрівлі. Карст на Солотвинському родовищі продовжує прогресувати, в цьому районі налічується 137 карстових воронок, форма воронок до 30 м в діаметрі, а глибина коливається від 0,5 до 8-10 м. Калуське родовище калійних солей експлуатувалося рудником, що складається з 4-х шахтних полів. Рудні тіла знаходилися на глибині від 40-60 до 160-180 м, після припинення робіт рудника в утворені порожнечі загальним об'ємом 3 млнмі надходили прісні води в кількості близько 200 мі/добу, що призвело до обвалення склепінь гірничих виробок. В результаті цього сформувалися провальні воронки, з них найбільш велика зруйнувала 30 житлових будинків в м. Калуші, а також дорогу, газопровід, водогін та інші господарські об'єкти. Поклади кам'яної солі на Донбасі представлені родовищами в районі Артемівська та Слов'янська. Глибина розробки солі на Артемівському родовищі становить 120-320 м, а на Слов'янському 680-720 м. У результаті експлуатації родовищ утворилася мульда осідання площею 167 га з тріщинами відриву по бортах, деформаціями наземних споруд, з провальними воронками на цій ___ISSN 0868-6939 Фізична географія та геоморфологія. - 2016. - Вип. 1(81) ~16~ території, карстовими озерами і підтопленими ділянками [18].

2.4 Перспективи розвитку карсту в Україні

Сучасні кліматичні зміни та незбалансована господарська діяльність призводять до активного розвитку екзогенних геологічних процесів (ЕГП) до яких відносять зсуви, карст, підтоплення, селі. Карст є особливо небезпечним видом ЕГП, оскільки його раптова активізація спричиняє виникнення миттєвих провалів або осідань земної поверхні. Причини розвитку карсту - це передусім вплив від природніх умов (геологічна будова території) та видобування корисних копалин. Поширення поверхневих та підземних карстопроявів спостерігається майже по всій території України, а їх кількість перевищує 27 тисяч одиниць. Найбільш ураженими карстовими процесами є такі території: Автономна республіка Крим (9594 карстопрояви), Львівська (6779), Тернопільська (1371), Чернігівська (2313), Івано-Франківська (2096), Волинська (1529), Хмельницька (769) областей. Деформації, що виникають у зв'язку з господарським освоєнням закарстованих територій, супроводжуються руйнуванням будівель і споруд, розривами підземних комунікаційних мереж, ускладненням в експлуатації гірничих виробок, втратами водних ресурсів із водосховищ і каналів, зменшенням площ орних земель тощо, тому визначення ступеня карстопровальної небезпеки в межах карстонебезпечних територій є актуальною задачею. Одним із напрямків просторово-часового регіонального прогнозування екзогенних геологічних процесів і карстових явищ зокрема є прогнозування, засноване на обліку впливу на їхній розвиток природних і антропогенних просторових і часових чинників. Геоінформаційні системи є основним інструментом, який використовується для роботи із масивами просторових даних, поєднуючи в собі можливості систем управління базами даних, графічних редакторів та аналітичних засобів і цим самим їх застосування як середовища реалізації прогностичних моделей є доцільним [19].

Розділ 3. Заходи захисту від негативних карстових процесів