Водопроницаемость карстующихся пород

Водонепроницаемые горные породы карстуются только с поверхности. Но большая часть горных пород, попав в зону выветривания, становится трещиноватой. По трещинам в массив проникают воды и атмосферный воздух, которые взаимодействуют с растворимыми породами, вызывая ряд химических и минералогических процессов. Трещины возникают на всех этапах жизни карстующейся осадочной толщи. Начиная с превращения осадка в породу при процессах диагенеза, при складкообразовании, выветривании.

Литогенетические (первичные) трещины – возникают преимущественно при диагенезе. Наиболее важные физические изменения – потеря воды и уплотнение отложений путём уменьшения их влажности и пористости. Эти процессы растянуты по времени и распространяются на глубину 150–200 м. На большей глубине осадки полностью переходят в плотные осадочные породы, которые в дальнейшем крайне медленно отдают воду и уплотняются. Распространение таких трещин наиболее чётко выражено в областях с горизонтальным или слабонарушенным залеганием пород. Там, где породы смяты в складки и испытали интенсивные тектонические движения, первичные трещины в осадочных породах бывают часто замаскированы более поздней тектонической трещиннноватостью. Первичные трещины не пересекают мощных толщ пород, а тесно связаны с отдельными пластами или небольшими пачками пластов. Обычно трещины заканчиваются на границах отдельных пластов, образующих слоистость. По отношению к слоистости трещины располагаются перпендикулярно. Косо, параллельно, имеют неправильную сложную форму. Положение их зависит от литологического состава пород. Замечено, что перпендикулярные слоистости трещины характерны для известняков и доломитов, разбивают эти породы на параллелепипедные отдельности. В различных участках одного и того же пласта присутствуют трещины разных простираний. Относительно правильные отдельности приурочены к породам однородного состава. Степень заполнения трещин зависит в первую очередь от циркуляции водных растворов. Частота трещин зависит от мощности и состава пород. В гипсах, ангидритах, каменной соли они менее развиты. При залегании на некоторой глубине от земной поверхности эти породы не карстуются и даже являются водоупором. Когда движения земной коры выводят их на дневную поверхность, карст начинает интенсивно развиваться.

Тектонические трещины образуются под влиянием тектонических сил, проявляющихся в земной коре в процессе её развития. Возникающие при этом в горных породах деформации почти всегда сопровождаются трещинами, образующимися на различных площадях. Трещины обладают выдержанностью (как по простиранию, так и по падению) и развиваются по одному плану в породах различного состава. Они делятся на трещины с разрывом сплошности пород и кливаж. Первые возникают при появлении в породах нормальных и касательных напряжений, превышающих пределы прочности. При нормальных напряжениях перпендикулярно главной оси растяжения происходит отрыв пород и образуются трещины отрыва. В направлении максимальных касательных напряжений развиваются трещины скалывания. Они широко распространены на участках, нарушенных взбросами и сдвигами, которые происходят в условиях сжатия земной коры или при перемещениях одного её участка относительно другого под действием пары сил. Однако раньше. Чем напряжения, вызываемые сжатием или сдвигом, сконцентрируются на одной поверхности разрыва и вызовут перемещение вдоль неё, в горных породах произойдёт образование трещин скалывания. Эти трещины составляют обычно два ряда, образующие с осью сжатия угол несколько меньше 45°. В отличие от трещин скалывания, кливаж не нарушает сплошности пород. Кливаж – способность горных пород делиться по параллельным или почти параллельным поверхностям на тонкие пластинки. Это свойство в механическом смысле выражается в образовании поверхности скольжения или срезывания, по которым частицы в процессе пластической деформации смещаются по отношению друг к другу.

Трещины в зоне выветривания многообразны. Выветривание расширяет первичные, тектонические и д.р. трещины, развитые в верхней части земной коры. При выветривании породы теряют свою монолитность. В них появляется сеть трещин. Вызывающая распадение крупных блоков на отдельные обломки. Распадение пород при выветривании происходит главным образом за счёт раскрытия и расширения ранее существовавших в них трещин и образования новых – трещин выветривания. Основные причины этого: разрывное действие замерзающей воды; изменение температуры в течение суток (инсоляция); разрывное действие солей и минералов, выкристаллизовывающихся в порах породы; разрывное действие корней растений; биохимические реакции и химические процессы, связанные с разложением неустойчивых минералов в зоне выветривания и образованием устойчивых минералов. Частота и характер трещин выветривания зависят от состава, текстуры и структуры пород, от строения и ориентировки поверхности обнажения, также действующими агентами выветривания, их интенсивностью. Степень разрушения пород выветриванием с глубиной уменьшается. Обычно трещины распространены на глубину до 10–15 м, а иногда в карбонатных породах они достигают глубины 30–50 м. Замечено, что на южных склонах сеть трещин выветривания значительно гуще, чем на северных., что объясняется большим различием между расширением и сжатием пород, вызванных суточными колебаниями пород на южных склонах. При прочих равных условиях, в вертикальных обнажениях породы всегда менее выветрелые, чем в горизонтальных. Трещины могут быть заполнены продуктами выветривания, гипсом, глиной. Часто на стенках присутствуют корочки гидроокислов железа.

Трещины отслаивания – следствие разгрузки внутреннего напряжения пород, вызываемой эрозией и другими факторами денудации. Развиваются параллельно обнажённой поверхности, становятся менее ясными с глубиной. В осадочных породах на ориентировку трещин оказывает влияние слоистость.

Трещины бортового отпора (отседания, откоса) – развиты в бортах долин. Рек, оврагов, врезанных в различные скальные, полускальные породы. Бывают наклонены под углом 30–50° в сторону долины, в глубину распространяются до уровня реки. Простирание совпадает с современными либо древними долинами. Обычно бывают открытыми: захватывая наибольшую часть массива пород у земной поверхности, выходят на поверхность склона. Величина их раскрытия зависит от упругих свойств пород, высоты и крутизны склона. Общая конфигурация трещин параболическая, но часто нарушена анизотропностью пород относительно сопротивления разрыву, слоистостью – поэтому они нередко ступенчатые. Происхождение их связывают с нарушением эрозией равновесия в распределении силы тяжести пород, слагающих склоны, путём уничтожения бокового сопротивления. Такие трещины благоприятны для развития карста.

Трещины карстовых провалов образуются над карстовыми подземными полостями и пещерами. Пример: в Кунгурско-Иренском карстовом районе в начальной стадии наблюдается система трещин, образующих замкнутый полигон. Число сторон многоугольника не менее 6, до 249 приближен к кругу). Эти системы образуются на горизонтальных или наклонных поверхностях с крутизной не более 45-50°. Длина сторон не более 1–1,5 м. Ширина трещин до 3–5 см, глубина до 1 см. В начальной стадии очерчены слабо, в дальнейшем выделяются и по ним происходит смещение 9 амплитуда обычно 1–2 см). Затем идёт катастрофическая стадия – окончательный отрыв и провал участка с образованием воронки.

Трещины гидратации ангидрита образуются в перекрывающих их породах. Если это карбонатные породы, в результате проникновения воды карстуется весь массив.

Антропогенные – трещины оседания кровли над подземными выработками. От взрывов и др. Возникающие при провалах трещины лишены признаков минерализации, имеют свежий вид. По простиранию и падению невыдержанны.

В зоне выветривания существует и противоположный процесс – заполнение трещин. Поступающие с поверхности воды вносят в трещины глинистые и другие частицы. Которые могут заполнить расселины. В известняках в трещинах образуется кальцит, в гипсах – гипс (селенит). Это приостанавливает карстовый процесс.

Поры и каверны карстующихся горных пород также могут быть путями передвижения вод. Пористые доломиты карстуются своеобразно – до доломитовой муки и песка. [3.]

Одной из загадок подземного мира является «холодное кипение», или процесс кавитации (от латинского «cavitas» – пустота). Вода при обычном давлении (1 атм.) кипит при 100ºС. Но если понизить давление до 0,006–0,043 атм., то кипение возможно в диапазоне температур 0–30 °С. На поверхности обтекаемых движущейся водой или движущихся в ней предметов образуются каверны – пузырьки, наполненные парами воды. Образуясь в зоне пониженного давления и исчезая (конденсируясь, растворяясь) там, где давление выше, пузырьки меняют характер течения. Вызывая большие потери энергии, шум и кавитационную эрозию обтекаемых поверхностей. Особенно агрессивны пузырьки в момент исчезновения («схлопывания»), которое происходит практически мгновенно. Частицы жидкости, окружающей пузырёк. С огромной скоростью устремляются в освободившееся пространство. Ударяясь друг о друга. На этих участках давление повышается до 100 тысяч атм. Исчезновение пузырьков напоминает взрыв микроскопической мины. Если обтекаемые поверхности могут растворяться, то возникает кавитационная коррозия: парциальное давление СО2 в пузырьках воздуха, растворённых в воде, выше, чем в атмосфере.

Кавитация наблюдается на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, турбин, насосов, в водоводных тоннелях электростанций. Опыты показали, что для её возникновения нужны скорости потока более 6 м/с. В пещерах отмечены местные скорости до 10 м/с. Так возникает самовозбуждающийся процесс: сперва начинается кавитационная коррозия. Затем зарождаются микровпадины и гребешки, усиливающие её. Возможна кавитация и при падении капель воды. Фотосъёмка со скоростью 1000 кадров в секунду показала, что в момент «приземления» капля сначала сплющивается, а затем растекается со скоростью, достаточной для возникновения кавитации. Кавитация может возникать и при отсутствии движения. Если в жидкости, омывающей неподвижные поверхности, вследствие сейсмических или иных причин возникают ультразвуковые волны, то во впадинах формируются пузырьки газа, исчезающие на гребнях. Сильная кавитация отмечена также в морских пещерах, находящихся в зоне прибоя, а также – во фреатических полостях при движении воды через каналы, разделённые перемычками. [1.]

Трещинноватость, сочетающаяся с пористостью, также возможна. Например, писчий мел, где есть и пористость до 40–45%, обладает ничтожной водопроницаемостью по порам. При отсутствии трещин мел – это водоупор; при появлении их становится водоносным и карстуется. Т.е карст развивается, прежде всего, по трещинам, а поры играют роль резервуара, из которого подземные воды поступают в трещины.