Особенности карстообразования на территории России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (ГОУ ВПО ВГУ)

Геологический факультет

Кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии

Курсовая работа по теме

«Особенности карстообразования на территории России»

Воронеж 2009г.

Оглавление

Введение

Глава 1. Характеристика карста как экзогенного геологического процесса

1.1 Определение и виды карста

1.2 Условия развития карста и растворимость пород

1.3 Классификация главнейших карстовых форм

1.4 Гидродинамические закономерности развития карста

1.5 Влияние техногенных факторов на развитие карста

Глава 2. Распространение карста на территории России

2.1 Восточно-Европейская платформа

2.2 Сибирская платформа

2.3 Области палеозойской складчатости

2.4 Область альпийской складчатости юга России

2.5 Области мезозойской и кайнозойской складчатости востока России

Глава 3. Влияние карста на устойчивость инженерных сооружений и условия освоения территории

Глава 4. Изучение и прогноз динамики карста

Глава 5. Методы по борьбе с отрицательными влияниями карста

Заключение

Список литературы

Введение

Геологическая деятельность подземных вод многообразна. Они весьма чутко реагируют на воздействие сооружений, производство строительных работ и использование территории. Практически все геологические и инженерно-геологические процессы происходят под большим или меньшим влиянием подземных вод, но развитие процессов выщелачивания и карста в растворимых породах и механической суффозии в малопрочных породах и просадок в лессах обусловлены преимущественно подземными водами. Обычно процесс начинается с выщелачивания солее или нестойких по отношению к воде компонентов породы, разрушаются структурные связи, а затем переходит в начальную и зрелую стадии карста, сопровождаясь или сменяясь суффозией, размывом и другими деформациями, в зависимости от состава и строения массива пород и гидродинамической обстановки.

В практике отечественного и мирового строительства в районах развития карста гидротехнических, дорожных, городских и подземных сооружений нередко возникали весьма сложные ситуации, иногда приходилось переносить объекты или осуществлять сложные и дорогостоящие защитные мероприятия, периодически восстанавливая их. Были случаи неудачного строительства, например: незаполняемое водохранилище, прорывы карстовых вод в шахтах, приводящие к гибели людей и разрушению сооружений.

Тема курсовой работы является «Особенности карстообразования на территории России»

Цель работы заключается в изучении карста как экзогенного геологического процесса.

Для выполнения поставленной цели был изучен карст как геологический процесс, приведена классификация главнейших карстовых форм как в растворимых породах, так и в нерастворимых, изучены гидродинамические закономерности развития карста, влияние техногенных факторов на его развитие, распространение на Восточно-Европейской платформе, Сибирской платформе, Урале, Западно-Сибирской плите, на Кавказе. Рассмотрено влияние карста на устойчивость инженерных сооружений, методы по борьбе с отрицательными влияниями карста. Было установлено, что для развития карста необходимо сочетание следующих основных условий: а) наличие растворимых пород - карбонатных, сульфатных, галоидных, доступных для проникания в них поверхностных и подземных вод; б) водопроницаемость карстующихся пород, обуславливающая возможность движения в них воды; в) движение подземных вод, интенсивность водообмена и вынос продуктов выщелачивания; г) агрессивность, растворяющая способность поверхностных и подземных вод, обусловленная их химическим составом, температурой, присутствием газов (СО2, Н2S, и др) и микроорганизмов.

Глава 1. Характеристика карста как экзогенного геологического процесса

1.1 Определение и виды карста

Карст - совокупность процессов, форм рельефа и явлений, связанных с химическим растворением пород подземными и поверхностными водами.

Существует несколько классификаций карста по различным признакам.

По инженерно-геологическим условиям образования:

1) открытый карст. Карстующая порода выходит на земную поверхность или перекрывается толщей проницаемых для воды отложений, мощностью до 3 метров.

2) покрытый карст. Карстующая порода покрыта проницаемой для воды толщей, мощностью более 3 метров.

3) перекрытый карст. Карстующая порода перекрывается водонепроницаемой толщей. Карст происходит в дефектах покрышки.

Морфологическая классификация:

1) поверхностный карст. Процессы растворения протекают только на поверхности воды.

2) глубинный карст. Процесс растворения протекает внутри карстующей породы.

3) комбинированный (провальный) карст. Комбинация поверхностногои глубинного карста.

Литологическая классификация:

1) галоидный (солевой) карст. Происходит в каменной и калийной солях.

2) сульфатный (гипсовый) карст. Растворение гипса и ангидрита.

3) карбонатный карст. Происходит в известняках, доломитах, мергелях, а так же в обломочных породах с карбонатным цементом.

1.2 Условия развития карста и растворимость пород

Для развития карста необходимо сочетание следующих основных условий: а) наличие растворимых пород - карбонатных, сульфатных, галоидных, доступных для проникания в них поверхностных и подземных вод;

б) водопроницаемость карстующихся пород, обуславливающая возможность движения в них воды;

в) движение подземных вод, интенсивность водообмена и вынос продуктов выщелачивания;

г) агрессивность, растворяющая способность поверхностных и подземных вод, обусловленная их химическим составом, температурой, присутствием газов (СО2, Н2S, и др) и микроорганизмов.

Растворимость карбонатных, сульфатных и галоидных пород - сложный физико-химический процесс, обусловленный величинами энергии кристаллических решеток породообразующих минералов, различиями в микроструктуре и т.д. Анализируя карстовые процессы, надо различать растворимость и скорость растворения пород, емкость раствора и интенсивность агрессии раствора. Выделяются углекислотная, сульфатная и др виды агрессивности вод в зависимости от содержания в ней соответствующих компонентов. растворимость каменной соли, гипса и кальцита резко различна: для чистой воды при температуре 25? она характеризуется следующими величинами, соответственно 320, 21 и 0,015 г/л. Влияние температуры воды на растворимость существенно, но различно для разных пород. Например, как указывает Д.С.Соколов, растворимость каменной соли и кальцита повышается в интервале температур от 0 до 100?, для гипса и ангидрита отмечается более сложная зависимость. В интервале температур 0 - 40? гипс растворяется меньше, чем ангидрит, а выше наблюдается обратная картина, что, по-видимому, обусловлено большей неустойчивостью кристаллической решетки гипса при более высоких температурах.

Растворяющая способность водных растворов по отношению к большинству пород повышается с ростом их температуры, что зависит от возрастающего теплового движения молекул воды. В водных растворах кислот имеются протоны, расположенные внутри электронных орбит молекул воды. В чистой воде протон отсутствуют. Перемещение избыточных протонов сообщает молекулам воды небольшой дополнительный заряд, и гидратирующие катионы растворимых солей получают дополнительное отталкивание (Соколов, 1962). Водные растворы, в которых находятся анионы Cl?, SO4, NO3, действуя совместно с избыточными протонами, усиливают тепловое движение молекул воды, что приводит к увеличению растворяющей способности раствора. Иная картина в растворах угольной кислоты, в которой действие ионов НСО3 и СО2 и избыточных протонов по различию по знаку, и растворяющая способность раствора уменьшается.

Растворяющая способность различных водных растворов неодинакова, но имеет однотипный характер и зависит от концентрации. В начале при малых концентрациях растворяющая способность быстро растет, а по достижении максимума, разного у различных солей, начинает снижаться. Эта закономерность справедлива для растворов, в которых нет ионов одноименных с растворяющимися ионами пород.

Растворимость карбонатных пород в различных природных водах весьма неодинакова, что обусловлено сложным химическим составом и взаимовлиянием отдельных компонентов водного раствора. Д. С. Соколов приводит следующие данные: при содержании в водах сложного состава CaSO4 в количестве 4-7 мг*экв/л растворимость CaCO3 в среднем составляет 4-4,5 мг*экв/л, а при CaSO4=15-30 мг*экв/л СаСО3 может раствориться только несколько больше 1 мг*экв/л.

Агрессивны по отношению к карбонатным породам сероводородные воды, обычно напорные и восходящие к разломам. Сероводород в этих водах окисляется, возникает коллоидная сера, которая переходит в серную кислоту, в свою очередь растворяющую карбонаты с образованием гипса и углекислого газа

(2S+3O2+2H2O=2H2SO4

CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+H2O)

Таким образом, сероводородные воды, особенно если они теплые, агрессивны, так как интенсивно растворяются карбонаты, а затем процессы карста усиливаются за счет образовавшегося гипса и свободной углекислоты.

Растворимость гипса в дистиллированной воде при t=0? составляет 1,759 г/л и при t=40? повышается до 2,093 г/л, а при более высоких температурах воды уменьшается. Растворимость CaSO4*2H2O в присутствии в растворе NaCl характеризуется следующими особенностями: при концентрации NaCl в 6, 50 и 150 г/л содержание в растворе CaSO4 возрастает и соответственно будет 3, 6 и 7,2 г/л, а при концентрации NaCl 293 г/л - уменьшается до 5,2 г/л. аналогичное влияние на растворимость гипса оказывают соли азотной кислоты, но большее, чем NaCl.

Влияние минерализации воды на растворимость гипса и ангидрита иллюстрируют данные следующего опыта (Горбунова, 1977). Потеря в массе при погружении образца на 6 ч в снеговую воду составила 21,3 и 3,2%, а при погружении в воды р. Сылвы (минерализация около 0,8 г/л) монолит гипса за 6 суток потерял 44% своей массы.

Растворимость галита NaCl, сильвина KCl и карналлита MgCl2*KCl*6H2O высокая, что обуславливает интенсивность и специфические черты соляного карста. Растворимость в воде совместно NaCl и KCl, примерно в 1,2-1,3 раза больше, чем каждой соли в отдельности.

Влияние микроорганизмов на растворимость карбонатных пород. Агрессивность подземных вод определяется так же органическими кислотами, образующимися в результате деятельности микроорганизмов. В определенных условиях микроорганизмы могут образовывать соли серной, азотной и угольной кислот. Проведенные учеными эксперименты на кернах мелкокристаллического доломитизированного известняка и писчего мела показали: 1) что на исследуемых образцах известняка, залитых в течение трех месяцев кислотой определенной концентрации, появились колонии микроорганизмов, пористость породы увеличилась, масса уменьшилась, а рН увеличилось с 1,5-3,6 до 8,1-8,5; 2) увеличение во всех случаях содержания в растворе иона Са от 11,8 (известнк) до 41,5 мг/л (писчий мел).

1.3 Классификация главнейших карстовых форм

Таблица 1

Классификация карстовых форм в растворимых породах

Название форм	Главнейшие процессы, обуславливающие развитие форм
П О В Е Р Х Н О С Т Н Ы Е	Карры субаэральные Карры и каверны рифов Карстовые ниши Карстовые воронки А) выщелачивания Б) провальные Карстовые долины А) слепые Б) полуслепые Карстовые котловины и поля	Растворение метеорными водами + эрозия (на крутых склонах) Растворение при участии морских вод Растворение + выветривание, иногда при участи подмыва Растворение Растворение + обрушение Растворение + эрозия Эрозия + растворение Эрозия + растворение + обрушение
П О Д З Е М Н Ы Е	Карстовые колодцы, шахты, пропасти Закарстованные трещины Карстовые пещеры, каналы и другие крупные подземные полости Каверны и вторичная пористость	Растворение + обрушение + эрозия Растворение Растворение, часто в сочетании с подземной эрозией, обрушение растворение

Таблица 2 Классификация карстовых форм в нерастворимых породах, покрывающих закарстованные толщи или к ним прилегающих

Название форм	Главнейшие процессы, обуславливающие развитие форм
Поверхностные	Карстово-суффозионные воронки (просасывания) Карстово-эрозионные овраги Карстово-эрозионные поля	Суффозия с выносом материала в подземные карстовые полости Эрозия с выносом ее продуктов в подземные карстовые полости Эрозия с выносом ее продуктов через подземные карстовые тракты
Подземные	Карстово-эффузионные провалы и шахты и воронки Карстово-суффозионные каналы и полости	Суффозия с выносом материала в подземные карстовые полости + обрушение Суффозия с выносом материала в подземные карстовые полости

Карры - борозды на поверхности породы, возникшие в процессе выщелачивания. Глубина до 1,5 м, ширина около 1,5 м, длина до сотен м.

Воронки - конические понижения на поверхности карстующегося массива. Размеры от нескольких м до сотен м.

Поноры - веретенообразные полосы, возникшие в зонах повышенного дробления.

Колодцы - формируются за счет соединения поноры и воронки.

Шахта - образуется в результате большого разрушения, связанного с этажным карстом.

Полье - обширная зона сплошного обрушения, имеющая площадь в сотни и тысячи км?.

1.4 Гидродинамические закономерности развития карста

Гидродинамическая зональность карста важна для понимания истории его формирования, для оценки степени и распространения закарстованности массива и скорости процессов. Гидродинамическая зональность карста прослеживается в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловленная рельефом, литологическим разрезом массива пород и положением базиса дренирования карстовых вод. В общем случае в однородном по литологии и водопроницаемости карстующемся массиве равнинно-платформенных областей выделяют гидродинамические зоны (приложение 1, рис.1): Вертикальные (Д. С. Соколову): I - аэрации, II - сезонных колебаний, III - полного водонасыщения с обособлением подзоны д непосредственной разгрузки у дренирующего водотока, IV - глубокого обычно замедленного движения подземных вод. Горизонтальные (по А. Г. Лыкошину): А - присклоновую, Б - придолинную, В - приводораздельную.

Указанная схема гидродинамической зональности развития относится к постоянному уровню дренирования подземных вод; если он изменяется, например, эрозионном врезе из-за тектонического поднятия карстующегося массива, то это влечет формирование новой зональности, обычно наложенной на предыдущую. В общем виде влияние тектонических разрывов на пути движения вод и интенсивность карстовых процессов представлены на рис.2.

Среди факторов, определяющих гидродинамическую зональность в горно-складчатых областях по сравнению с платформенными, структурно-тектонические приобретают решающую роль - разломы с зонами дробления, расчлененность рельефа, интенсивность новейших движений и др. В этих областях поверхностный сток обычно преобладает над фильтрацией, но не всегда.

Энергичная эрозия в глубину, обусловленная интенсивными тектоническими поднятиями, создает условия, в которых даже в относительно растворимых породах не успевает сформироваться гидродинамическая зональность к базису стока и, следовательно, массивы пород закарстованы локально главным образом по разломам и с поверхности, в зоне разгрузки и выветривания. Для горных областей типична большая, чем на платформах вертикальная зональность (этажность) карста.

Одна из вероятных схем гидродинамических зон развития карста представлена на рис. 3 (приложение 1), составлена применительно к структурам юго-западного склона Бол. Кавказа на Черноморском побережье в районе Гагры - Сухуми. Обращает внимание высокая закарстованность плиоценовых и миоценовых денудацинных поверхностей (до 60-80%, подсчитана по воронкам на аэрофотоснимках); приуроченность только к зонам крупных тектонических разломов карстовых полостей, каналов и других форм зрелого карста со сталактитами и постоянными водотоками со значительными расходами (Ингурская ГЭС, в Новом Афоне и Гаграх).

1.5 Влияние техногенных факторов на развитие карста

Инженерно-хозяйственная деятельность человека во многих случаях активно действует на карстовые процессы, изменяя локальную закарстованность массива пород и степень опасности. Изменение гидродинамической обстановки, которая активизирует карстовые процессы, обусловлено возникновением сосредоточенных фильтрационных потоков при:

А) создании высоконапорных плотин и водохранилищ;

Б) интенсивных длительных эксплуатационных откачках подземных вод с большими понижениями из шахт и карьеров, а также из строительных котлованов и подземных выемок;

В) нагнетании промышленных и хозяйственных вод, обычно агрессивных;

Г) длительных утечках из каналов различного назначения и водопроводных сетей.

При подземной разработке гипса на Ижемском руднике (20км от г. Ухта), на глубинах 20-35 ниже уровня воды в реке водопритоки составляли (данные Г. П. Лысенина и Г. Д. Сосновской, 1974): в 1959 г. - 1700 м?/сут, в 1964 г. - до 6000 м?/сут и возрос в январе 1965 г. до 18500 м?/сут. Приток вод в шахты происходил по трещинам, и предполагалось поступление их из реки. Установлено, что 1 м? речной воды при движении к шахте растворяет 1,3 кг гипса, и за период с 1961 г. по 1965 г. при суммарном водоотливе 8,82 млн м? было выщелочено 5000 м? гипса. Из-за сложности возвращающего водоотлива добыча гипса была признана нерентабельной.

Создание водохранилищ - Камского, Братского, Красноярского - привело к активизации карста в гипсо-карбонатных толщах и к появлению на отдельных участках побережья карстовых провалов. Наглядным примером усиления карстовых процессов является образование вблизи пос. Усть-Оса большой карстовой воронки в 1 км от уреза Братского водохранилища в карбонатно-гипсовой толще нижнего кембрия.

Глава 2. Распространение карста на территории России

Карстующиеся породы - карбонатные, сульфатные и соляные, широко распространены в осадочном чехле земной коры во всех системах, начиная с кембрийской. По подсчетам Г. А. Максимовича, на всех континентах Земли карбонатные породы занимают площадь более 4 млн км?. Карбонатный, гипсовый и соляной карст древний и молодой встречается практически повсеместно, где развиты соответствующие отложения, и прослеживается до глубины 300-400 м, как на платформах, так и в складчатых областях. Общее представление о распространении карста на Восточно-Европейской платформе, Урале, Кавказе и Карпатах дает схема (рис. 4, приложение 2)

2.1 Восточно-Европейская платформа

Растворимые горные породы входят в состав как платформенного чехла, так и складчатого фундамента Восточно-Европейской платформы.

Складчатый фундамент. Растворимые породы, принимающие участие в строении складчатого фундамента, представлены метаморфизованными карбонатными породами (мраморы, мраморизованные известняки и доломиты). региональный метаморфизм и связанная с ним перекристаллизация вещества обуславливают не только высокую компактность и крепость мраморов, но и понижают растворимость составляющих их кристаллов кальцита и доломита. В свою очередь высокая компактность и крепость мраморов затрудняют образование в них раскрытых трещин. В совокупности все эти факторы существенно тормозят развитие карста в растворимых породах складчатого фундамента, даже в пределах тех структурных элементов, где этот фундамент или непосредственно выходит на поверхность, или залегает на небольшой глубине.

Складчатый фундамент Восточно-Европейской платформы выходит на поверхность в основном в пределах Украинского и Балтийского щитов.

Карст, связанный докембрийскими породами Украинского щита, характеризуется довольно крупными карстовыми полостями (размеры их иногда более 1 м). Эти полости прослеживаются и на глубинах, до 400 м ниже уровня моря. Развитие карста протекало в отдельные достаточно длительные этапы палеозоя и мезозоя.

По сравнению с Украинским щитом, карстопроявления в докембрийских породах Балтийского щита выражены значительно слабее. Если учесть, что большинство поверхностных, а так же какая-то часть подземных форм дочетверичного карста были на Балтийском щите уничтожены (вместе с породами) ледником, то отмеченные различия становятся понятными.

Платформенный чехол. Растворимые породы в составе платформенного чехла более разнообразны, так как, помимо карбонатных пород, здесь наблюдаются гипсы, ангидриты и каменная соль.

Наиболее древние растворимые породы в осадочном чехле платформы это доломиты, наблюдаемые в составе рифейских отложений. Карбонатные породы широко распространены среди отложений верхнего палеозоя; довольно существенно значение карбонатных пород силура (Прибалтика и юго-запад) и мергельно-меловых толщ верхнего мела (южная и юго-западные части платформы и Поволжье); распространение карбонатных пород в составе палеогеновых, нижнемеловых, юрских и триасовых отложений ограничено. Гипсы и ангидриты широко распространены среди пермских отложений платформы, а так же в центрально и южной частях Предуральского краевого прогиба; в ряде районов эти породы сочетаются с каменной солью. Гипсы, ангидриты и каменная соль известны так же в составе девона Украинской и Московской синеклиз. Среди неогеновых отложений они известны в Предкарпатском прогибе.

Отмеченному распределению различных растворимых пород примерно соответствует и распространение карстопроявлений.

Наиболее широко развит карбонатный карст палеозойских пород, который в восточной части платформы обычно сочетается с гипсовым карстом пермских отложений. Прибалтика, крылья Московской синеклизы, область Волго-Уральского свода и особенно локальные платформенные структуры (валы) представляют районы наиболее широкого распространения разнообразных карстовых форм. При этом очень часто встречаются погребенные карстовые формы.

На южном склоне Балтийского щита сильно закарстованными являются карбонатные породы ордовика и силура.

В строении северо-западного и западного крыльев Московской синеклизы существенное участие принимают карбонатные породы каменноугольной и девонской систем.

Карбонатные породы карбона и девона также широко распространены в южном крыле Московской синеклизы и на Воронежской антеклизе.

В более восточных частях Московской синеклизы в бассейне рек Оки (нижнее течение), Клязьмы и Пьяны наблюдается как карбонатный карст каменноугольных отложений, так и сочетание гипсового и карбонатного карста в пермских отложениях.

Широко развиты карстовые явления на Тиманском валу, в строении которого существенную роль играют карбонатные породы девона, карбона и Перми, а так же гипсы.

Растворимые породы девона, карбона и Перми принимают существенное участие в строении платформенного чехла Волго-Уральского свода, который с востока ограничивается Предуральским краевым прогибом. Карстовые явления в пределах этой зоны весьма разнообразны. Здесь наблюдается карбонатный, гипсовый и гипсово-карбонатный карст.

В расположенном к востоку Предуральском краевом прогибе развиты гипсово-ангидритовые и соленосные отложения, а по западному крылу прогиба - карбонатные образования. Соответственно в этой зоне отмечаются проявления карбонатного, сульфатного, а местами и галоидного карста.

С палеозойскими породами, слагающими многочисленные соляные купола в прикаспийской впадине, связан галоидный карст, нередко в сочетании с сульфатным.

По южной окраине Донбасса распространены карбонатные породы нижнего отдела каменноугольной системы и отчасти девона. Здесь наряду с большим количеством погребенных вод четвертичными, а иногда и палеогеновыми отложениями древних карстовых форм, наблюдаются и различные проявления интенсивного современного карста. В Донбассе развит и соляной карст, связанный с пермскими отложениями.

В Днепрово-Донецкой впадине отмечается карбонатный, сульфатный и галоидный карст, развитый в образованиях девона и Перми, а так же отчасти карбона.

Среди мезозойских отложений Восточно-Европейской платформы растворимые породы наблюдаются главным образом в составе верхнего отдела меловой системы, где они представлены мелом, мелоподобными известняками и мергелями. Эти породы занимают большие пространства в Поволжье, Днепрово-Донецкой впадине, Польско-Литовской синеклизе. В центральных частях Причерноморской впадины данные отложения перекрыты палеогеновыми и неогеновыми образованиями.

Весьма существенную роль растворимые породы игрют в составе неогеновых отложений причерноморской впадины и предкарпатского краевого прогиба.

В пределах Причерноморской впадины присутствуют органогенные известняки. Сильная кавернозность данных неогеновых известняков обуславливает высокую водообильность водоносных горизонтов, приуроченных к этим известнякам.

В составе неогеновых отложений Предкарпатского краевого прогиба имеются соленосные образования, а так же гипсы и ангидриты. Однако ввиду высокого содержания глинистых прослоев и примесей, процесс развития карста здесь относительно ослаблен.

2.2 Сибирская платформа

Складчатый фундамент. Карбонатные породы, в большей или меньшей степени метаморфизованные, принимают участие в строении складчатого фундамента платформы. Особенно широко они распространены в областях байкальской складчатости. Образования фундамента выходят на поверхность в пределах Алданского щита, Анабарского массива, Оленекского поднятия, Трухано-Норильской зоны, Шарыжелгайского и Бирюсинского поднятий. Растворимые породы, подвергающиеся карсту, представлены главным образом мраморами.

Платформенный чехол. Карбонатные породы рифейских образований присутствуют по контуру Алданского щита, Анабарского массива, Енисейского кряжа, Оленекского поднятия, в районе Трухано-Норильской зоны. Вероятно распространены в основании Ленно-Енисейской плиты.

В Тунгусской синеклизе обширно развиты соленосные отложения венда. Так же в составе Тунгусской синеклизы, Ангаро-Ленского и Березовского прогибов широко развиты карбонатные породы кембрия, представленные известняками, битуминозными известняками, мергелями. Местами присутствует гипс. Здесь наблюдаются различные крупные формы проявления карбонатного, а в отдельных районах и гипсового карста. Соляной карст известен в Ангаро-Ленском прогибе и Тунгусской синеклизе.

Растворимые пород ордовика, представленные карбонатными образованиями, известны в западной части Вилюйской синеклизы и в районе Сетто-Дабана.

Растворимые породы силура распространены в районе Сетто-Дабана, Березовского прогиба, Тунгусской синеклизы. Они представлены известняками и доломитами. Встречаются загипсованные породы.

Растворимые породы девона - известняки, доломиты, мергели, гипсы - распространены в пределах северо-западной части Тунгусской синеклизы, в Ангаро-Ленском прогибе, на северо-востоке Вилюйской синеклизы; а так же известны в локальных впадинах (Канско-Рыбинская, Иркутская).

На основе вышсказанного можно сделать вывод, что на территории Сибирской платформы достаточно ярко выражены процессы карстообразования. Различные крупные формы проявления карбонатного карста наблюдаются в Тунгусской синеклизе, Ангаро-Ленском и Березовском прогибах, в Вилюйской синеклизе, в районе Сетто-Дабана, в Канско-Рыбинской и Иркутской впадинах, по конурам Анабарского массива. Сульфатный карст встречается в отдельных районах названных структур. Соляной карст известен в Ангаро-Ленском прогибе, в Тунгусской синеклизе, в районе соленосных структур Кемпендянской впадины.

2.3 Области палеозойской складчатости

Урал. Карстовые явления распространены на территории Урала и Предуралья очень широко. В Полярном Предуралье известен карбонатный карст, связанный с известняками и доломитами протерозойского, а так же с известняками, доломитами и мергелями ордовикского, силурийского, девонского и каменноугольного возрастов. В среднем и Южном Предуралье, помимо карбонатного карста наблюдается также галоидный и сульфатный карст. На западном и восточном склонах Урала расположен карбонатный карст, развивающийся в доломитах, известняках. На Южном Урале также наблюдается карбонатный карст в карбонатных породах палеозойского возраста.

Западно-Сибирская плита. Из карстующихся пород на территории данной плиты известны карбонатные породы - известняки, доломиты - верхнепротерозойского возраста, а так же известняки и доломиты возраста силур - нижний карбон.

Алтае-Саянская складчатая область. На этой обширной территории карбонатные породы играют существенную роль в составе докембрийских отложений (мраморы, мраморизованные известняки, доломиты) и палеозойскими отложениями (известняки силура, девона, карбона). Помимо карбонатных пород из карстующихся отложений здесь известны также соленосные отложения (Тува, мощность до 400 м). о широком распространении карста на описываемой территории говорит целый ряд пещер, описанных в карбонатных породах Алтая, Тувы, Кузнецкого Алатау, Саяна. Известны здесь и крупные карстовые источники с дебитом до 70 л/с и более.

2.4 Область альпийской складчатости юга России

Кавказ. Карбонатные породы триаса, палеозоя и докембрия принимают участие в строении ядра мегантиклинория Большого Кавказа. Однако основными областями распространения карбонатных пород в пределах мегантиклинория являются зона северного склона и зона абхазских фаций, где эти породы играют самую существенную роль в составе верхней юры, мела и нижних горизонтов палеогена. Очень велико их значение и в строении карбонатного флиша, распространенного в одноименной зоне южного склона и в области северо-западного погружения хребта (район Новороссийска). При этом по условиям соотношения с нерастворимыми породами и по составу (господство мергелей и меньшая роль известняков) карбонатные породы флишевой зоны существенно отличны от зоны северного склона и зоны абхазских фаций. По сравнению с карбонатными породами значительно меньше распространены сульфатные образования.

В сложной складчатой структуре Малого Кавказа, сильно замаскированной широким распространением молодых вулканических пород, имеются карбонатные породы палеозойского, мезозойского, палеогенового, а местами и неогенового возраста. В отдельных участках здесь имеются гипсоносные и соленосные отложения неогена (район Нахичевани и др.). приуроченность к юрским карбонатным породам обильных подземных вод, соленые источники и травертины в районе Нахичевани свидетельствуют о наличии карстопроявлений на малом Кавказе.

2.5 Области мезозойской и кайнозойской складчатости востока России

В областях мезозойской и кайнозойской складчатости востока России растворимые породы распространены меньше, чем на остальной рассматриваемой территории. Известные карстопроявления в большинстве своем связаны с карбонатными породами палеозоя и докембрия. Карстовые формы (включая пещеры) и связанные с карстом гидрогеологические особенности отмечаются в ряде участков Приморья, в Приамурье (район Биробиджана), в Букачачинском районе Восточного Забайкалья. В этом районе отмечается повышенная водообильность известняков. В ряде участков (бассейн р. Индигирка, а так же верхнего течения р. Сеймчан) имеются признаки глубокого карста.

Так же в рассматриваемой области имеются отложения гипса и ангидрита.

Глава 3. Влияние карста на устойчивость инженерных сооружений и условия освоения территории

Карстовые явления могут оказывать весьма существенное отрицательное влияние на устойчивость инженерных сооружений. На территории, где возможны карстовые оседания, фундаменты подвергаются дополнительным горизонтальным воздействиям благодаря трению по подошве и давлению на вертикальные поверхности фундамента. В районах интенсивных карстовых оседаний давление грунта на фундамент в 10-20 раз больше активного давления грунта на фундамент в обычных условиях. Кроме того, вертикальные смещения оснований вследствие оседаний в сооружениях вызывают потерю контакта фундамента с основанием.

Карстовые деформации при их образовании в основании сооружений могут по разному действовать на работоспособность сооружения (системы). Например: а) образование малых карстовых провалов (до 5 м) непосредственно под сооружением может привлечь его деформацию, опасность которой предотвращается усилием конструкции; б) в случае возникновения крупных провалов (более 5-10 м) под зданиями обеспечить его устойчивость и безопасность эксплуатации конструктивными решениями вряд ли возможно и необходимо отказаться от намеченной территории или осуществить укрепление закарстованных пород основания или применить фундаменты из опор глубокого заложения. Сложные типы фундаментов применяются для ответственных сооружений.

Ответственной и сложной проблемой является оценка закарстованность массива, скорости процессов, их опасности и выбор защитных мероприятий при возведении высоких плотин. При этом может возникать фильтрационный поток с большими расходами, важный не только с позиции потерь воды, но и опасный для устойчивости сооружений, в связи с образованием суффозионных и других процессов. Так на участке плотины Канеллес в Нижних Пиренеях, при ее высоте 150 м и объеме водохранилища 680 млн м?, после постройки возникла недопустимая фильтрация с расходом 8 м?/с. Картирование и разведка скважинами и штольнями выявила большое количество (около 30) карстовых пещер, расположенных на большой глубине и имеющих различные размеры: длиной 225 м (отм. входа 380 м) и 450 м (отм. 504 м) и др.; урез реки находился примерно на отм. 360 м.

Используя терминологии теории надежности, назовем нарушения работоспособности сооружений отказами.

Воздействие карстовых деформаций на сооружения в процессе их эксплуатации по их характеру могут быть классифицированы согласно таблице 3.

Таблица 3 Характер воздействия карстовых деформаций на сооружения

Вид отказа	Общая характеристика отказа	Разновидности отказов
I	Катастрофические разрушения и повреждения, приводящие к полному прекращению эксплуатации сооружения	1.Потеря общей устойчивости сооружения 2.Разрушение отдельных конструкций, не позволяющее эксплуатировать сооружение 3.Повреждение технологического оборудования, которое может привести к разрушению сооружения, недопустимому заражению местности вредными химическими, радиоактивными и др веществами
II	Повреждения, приводящие к длительному прекращению эксплуатации сооружения	1.Недопустимый крен конструкций или сооружения 2.Работа конструкций в стадии, близкой к стадии разрушения 3.Достижение конструкциями размеров деформаций, создающих угрозу аварий или эксплуатации сооружений
III	Повреждения, приводящие к нарушению нормальной эксплуатации сооружений	1.Недопустимые деформации или разрушение отдельных элементов сооружений, требующие уменьшения нагрузок, скоростей движения и т.д. 2.Работа отдельных конструкций за пределами упругой стадии
IV	Повреждения, которые могут (при определенных условиях) привести к временному затруднению нормальной эксплуатации или снижению долговечности сооружений	1.Образование недопустимого раскрытия трещин в лезобетонных, бетонных и каменных конструкциях, не ведущих к снижению несущей способности 2.Недопустимые деформации, влекущие ограничение нормальной эксплуатации и поддающиеся исправлению в короткое время

Глава 4. Изучение и прогноз динамики карста

При изучении карста в инженерно-геологических и эколого-геологических целях определяют количественные характеристики карста. Основными количественными показателями закарстованности территории являются:

1. Плотность карстовых воронок:

f = N/S, шт/км2;

где N - число карстовых воронок на площади S.

2. Площадной коэффициент закарстованности

Ks = Sk/S, %

где Sk - площадь, занимаемая карстовыми проявлениями (воронками); S - общая площадь.

3. Среднее число провалов в год (по З.А.Макееву):

p = N/St, шт/км2 в год

4. Объемный показатель карстовой пораженности массива (по Н.В.Родионову):

Пкп =Vs/V, %

где Vs - объем карстовых пустот; - объем массива.

5. Показатель активности карста (по Н.В.Родионову):

Пак = V1000/V, %

где V1000- объем породы, выщелоченной из массива за 1000 лет

6. Коэффициент фильтрации (м/сут) и удельное водопоглощение (л/мин)

Согласно СНиП 22-01-95 степени опасности развития карстовых процессов на той или иной территории определяется следующими количественными показателями:

1) площадная пораженность территории (%)

2) частота провалов земной поверхности (число случаев в год)

3) средний диаметр провалов (м)

4) общее оседание территории

На основе указанных показателей выделяются категории устойчивости территорий по отношению к развитию карста. В частности по СНиП 1.02.07-87 закарстованные территории делятся на пять категорий.

Таблица 4. Классификация закарстованных территорий по степени их устойчивости

Категория устойчивости	Средний диаметр провалов, м	Число провалов, образовавшихся на площади 1 км2 за 1 год
Очень неустойчивые Неустойчивые Пониженной устойчивости Относительно устойчивые Устойчивые	>20 20 - 10 10 - 3 3 - 1 нет	>1,0 1,0 - 0,1 0,1 - 0,01 <0,01 нет

В ряде случаев о закарстованности пород можно судить по косвенным признакам, в частности по ряду их гидрогеологических характеристик.

территория карстовый порода освоение

Таблица 5

Прогнозирование карстовой опасности проводится по результатам анализа всего комплекса факторов, влияющих на развитие карста. Прогноз активизации карста выполняется:

1. На базе анализа перечисленных факторов;

2. Методом аналогий;

3. Методами моделирования:

· Математического (в том числе термодинамического)

· Натурного и др.

Оценка карстовых процессов и явлений в эколого-геологических целях проводится согласно СП 11-102-97. Следует иметь ввиду, что карстовые процессы могут иметь катастрофические последствия.

Другой важной экологической проблемой является тот факт, что большинство карстовых воронок используется человеком для сброса различных отходов, устройства несанкционированных свалок и т.п. В ряде мест это приводит к существенному загрязнению подземных вод токсичными компонентами и сокращению запасов питьевых вод. Все это ведет к общему ухудшению экологической обстановки, ухудшению эколого-геологических условий территорий.

Эколого-геологическая оценка карста обусловливается также его вкладом в экологическую геодинамическую функцию литосферы. Как и иные экзогенные процессы, карст меняет условия среды обитания различных организмов, а, следовательно, влияет на состояние и эволюцию экосистем, в частности он может влиять на экологическую сукцессию.

Так, например, в результате карстовых провалов может почти полностью разрушиться та или иная экосистема и сформироваться так называемая «фаза обнажения» - появление незаселенного пространства в пределах провала или его части. Это вызовет следующую фазу сукцессии - миграцию организмов на эту территорию, затем ее колонизацию и т.д. В итоге, скорость и интенсивность формирования карстовых провалов будет определять динамику процесса сукцессии на данной территории

Глава 5. Методы по борьбе с отрицательными влияниями карста

Система инженерных и иных мероприятий по обеспечению защиты существующих и проектируемых различных наземных и подземных сооружений на закарстованных территориях или внутри массива пород по своему содержанию и назначению различны и подразделяются:

1. для районов распространения карбонатного карста, обычно характеризующегося слабой и не опасной современной активностью, обоснованием мероприятий являются данные о характере, степени и пространственной закарстованности массива пород;

2. для районов активного современного карста в гипсах и солях, где вероятны и часты подземные обрушения и провалы на поверхности земли из-за большой закарстованности и ее вероятного значительного увеличения;

3. для направленных на предотвращение или существенное снижение скорости карстовых процессов до величин, безопасных для сооружений и территорий, возникших под воздействием техногенных факторов.

Характер и объем противокарстовых мероприятий зависит от конкретных инженерно-геологических условий территории и различны для промышленно-городских зданий, авто- и железных дорог, гидротехнических, подземных сооружений и др. В практике проектирования и строительства в карстовых районах применяются защитные мероприятия.

А) организация стока поверхностных вод (дождевых, талых, хозяйственных), предусматривающая практически полный их перехват системой канав, ливневодов, покрытий, тампонированием карстовых воронок и рвов, исключающая поступление агрессивных вод в карстующуюся толщу. Это обязательное мероприятие осуществляется обычно на большой площади, требует тщательности выполнения и эксплуатации.

Б) дренаж агрессивных подземных вод в целях недопущения их в толщу пород под защищаемыми сооружениями или освоенной территорией, иногда в сочетании с искусственным засолением для уменьшения растворяющей способности вод.

В) заполнение (тампонирование) карстовых полостей и трещин песком, мелким щебнем и цементным раствором с помощью засыпки и нагнетания, для поддержании свода пещеры и предотвращения его обрушения на участке расположения сооружения. При осуществлении этого мероприятия нет уверенности, что все и полностью крупные полости будут так плотно затампонированы, что исключается деформации пород в сводах. Кроме того, при заполнении полостей слабофильтрующим материалом возможно формирование новых путей движения подземных вод и активизация карста в прилегающих толщах растворимых пород. При возможности по условиям рельефа и строению массива целесообразно заполнение выполнять горным способом крупных потенциально неустойчивых карстовых полостей фильтрующей обломочно-каменной массой из нерастворимых пород, вскрытых штольнями и другими выработками. Такие меры поддержат свои полости, но не изменят путей движения подземных вод. Например, опытное укрепление полотна участка 395 км железной дороги Москва - Нижний Новгород проводилось нагнетанием в наклонные и вертикальные скважины песчано-суглинистого и сульфатно-стойкого цементного раствора. Для оконтуривания карстовых полостей было пробурено 20 скважин (1212 м) и выполнены геофизические исследования.

Г) создание в кровле закарстованной толщи или в основании вышележащих пород искусственно закрепленного слоя соответствующей толщины и протяженности, являющегося своеобразным перекрытием, воспринимающим нагрузку от сооружения и предохраняющего от распространения вверх зоны сдвижения в случае обрушения свода крупной карстовой полости и не нарушающего сложившихся путей движения подземных вод. Во многих случаях при благоприятном геологическом разрезе участка данное мероприятие эффективно для стабилизации полотна авто- и железных дорог, отдельных здании, опор и т.д.

При невозможности тем или иным способом укрепить закарстованный массив в основании сооружений следует предусмотреть особые виды их фундаментов и конструкций, мало деформирующихся при возникновении провалов. Такие фундаменты могут быть в виде опор глубокого заложения, ниже зоны сильной закарстованности, где возможны обрушения, а так же фундаменты из свай-стоек, из висячих свай и другие.

Методы борьбы с карстовыми процессами в соляных толщах более сложные из-за легкой растворимости этих пород. Одним из методов, применяемых при открытой разработке соляных месторождений, является создание гидрозавес различных типов (например, для Домбровского калийного месторождения в Предкарпатье). Верхнюю часть пресных грунтовых вод дренируют кольцевой траншеей или галереей и сбрасывают «на сторону», за пределы влияния карьера. Нижнюю часть надсолевого потока грунтовых вод перекрывают из траншеи непроницаемой продольной перемычкой (стенкой) и подпитывают его рассолами, выкачиваемыми из карьера, чем предотвращается растворение соляного пласта. При подземной разработке солей, ином гидрогеологическом строении или в случае предотвращения возможности выщелачивания и карста в соляной пачке или куполе (например, на участке Рогунской плотины на р. Вахш) создается другая система гидрозавес, в том числе путем искусственного насыщения подземных вод рассолами, делающими их неагрессивными.



Рисунок 1. Принципиальные схемы противокарстовых защитных мероприятий: А - укрепление закарстованного массива тампонированием: 1 скважины, 2 - цементный раствор, 3 - песок. Б - создание слоя закрепленных порд в кровле закарстованной толщи, играющего роль перекрытия. В - схема фундамента здания из опор глубокого заложения или свай-стоек: 1 - четвертичные отложения, 2 - закарстованные породы, 3 - прочные, некарстующиеся породы, 4 - опоры или сваи-стойки, 5 - колонны каркаса здания

Заключение

Карст неизбежно развивается при наличии сочетания определенных условий. Основными условиями развития карста являются: наличие растворимых пород, их водопроницаемость, движение подземных вод и их агрессивность (растворяющая способность).

Растворимые породы пользуются очень широким распространением в осадочном чехле платформ и в складчатых областях. В зависимости от их состава выделяются различные типы карста, из которых основными являются карбонатный, сульфатный, галоидный.

Почти во всех областях развития растворимых пород установлено наличие тех или иных проявлений карста.

В сильно метаморфизованных карбонатных породах складчатого фундамента платформ появления карста пользуются относительно нешироким развитием.

Карстопроявления оказывают отрицательное влияние на условия освоения территории и устойчивость инженерных сооружений, что может привести к существенной их деформации и даже разрушению, тем самым угрожая жизнедеятельности людей.

Меры борьбы с карстом сводятся в основном к тампонажу карстующихся массивов, дренажу подземных вод, организации стока поверхностных вод, а так же к созданию искусственно закрепленных слоев в кровле карстующихся пород или в основании вышележащих отложений.

Список литературы

1. Золотарев Г. С. Инженерная геодинамика. - М.; Изд-во МГУ, 1983 - 328 с.

2. Толмачев В. В., Ройтер Ф. Инженерное карстоведение. Москва «Недра», 1990 - 178 с.

3. Соколов Д. С. Основные условия развития карста. Госгеолтехиздат, 1962 - 280 с.

4. Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, ПГУ, 1963 -- 81 с.

Размещено на Allbest.ru

...