М.А. Харькина, кандидат геолого-минералогических наук
Термин «карст» происходит от названия плато Карст в Югославии, где подобные явления типичны и давно изучаются европейскими исследователями. Существует несколько определений карста. Наиболее полной и доходчивой формулировкой является определение А.Ф. Якушовой: «процесс растворения или выщелачивания и отчасти размыва трещиноватых растворимых горных пород движущимися водами и связанное с ним образование специфических... форм рельефа на поверхности земли и различных пустот, каналов и пещер в глубине».
Карст возникает при наличии агрессивной о отношению к растворимой в природных водах горной породе воды и водообмена, то есть оттока насыщенной растворенным веществом воды и притока свежего растворителя. Присутствие в природных водах различных солей и углекислоты существенно влияет на растворимость горных пород. Вода, насыщенная углекислотой, растворяет известняки и доломиты значительно лучше, чем химически чистая. Наличие в подземных водах хлористого натрия повышает растворимость гипса в 2.5-3.5 раза, а присутствие сернокислотного магния понижает его растворимость до нуля. Взаимодействие этих сложных природных растворов с трещиноватыми горными породами и приводит к образованию специфических карстовых форм.
| Таблица 1Типы карстовых форм рельефаи причины их образования | ||
| Карстовые формырельефа | Геологические причиныих образования | |
| Поверх-ностныеПере-ходныеПодзем-ные | каррыпонорыворонкикотло-виныпольямостыи аркикарстовыеостанцыжелобаи рвынавесыи нишиколодцыи шахтыисчезаю-щие рекислепыеи полусле-пые долиныпериоди-чески ис-чезающиеозерапропастипещерыканалыгроты | выщелачиваниеатмосферными водамивыщелачивание в узлахпересечения трещинвынос выщелоченнойпороды;обвал свода;проседание рыхлыхпокровных отложенийв колодцы и полостислияние воронок; обру-шение кровли; поверхно-стное выщелачиваниемеханический выноснерастворимой породы;слияние вороноки котловинобрушение потолка пе-щерных тоннелей и нишвыборочное разрушение(растворение) закарсто-ванных массивоввыщелачиваниеповерхности известняковвдоль трещинвыщелачиваниеатмосферными водамина склонахвыщелачивание и корро-дирующее действие водпо трещинампоглощение поверхност-ного стока рекпоглощение и отводв глубину поверхностногостока рекпериодическая фильтра-ция воды через воронки,котловины и поноры, за-кальматированные шла-момразрушение и размывкарстовых шахтобрушение; выщелачива-ние подземными пресны-ми водами; воздействиеминеральных и термаль-ных водрастворение пород под-земными водами вдользакарстованных трещин;подземная эрозияобрушение сводов пещер;растворение;эрозия |
Для карста характерны отрицательные формы рельефа. По морфологическим признакам выделяются поверхностные (воронки, котловины, мосты, арки, ущелья, желоба и рвы), переходные (навесы, ниши, колодцы, шахты) и подземные (пропасти, пещеры, каналы) формы (табл. 1). Карстовые формы рельефа развиваются везде, где присутствуют карстующиеся породы — известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменные соли. На поверхности и в глубине карст представляет собой взаимосвязанный единый процесс.
Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. Примерно треть площади суши земного шара имеет возможности для развития карста. Карст встречается на всех континентах, исключая Антарктиду. На разных материках карст занимает площадь от 30 (Европа) до 10 719 (Азия) тыс. км2. В северном полушарии располагаются 88% закарстованных территорий мира, в южной — 12%.
Изучая закарстованную территорию, следует оценить степень устойчивости карстового массива к намеченному виду ее хозяйственного освоения с учетом техногенной активизации карста и предложить меры противокарстовой защиты. Необходимо изучить природные факторы карстообразования: состав пород, условия их залегания, тектонические нарушения, историю развития рельефа, формирования и движения подземных вод, а также степень их изменения при техногенных воздействиях. Исследование этих геологических характеристик позволило установить общие закономерности условий строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений на закарстованных территориях. Так, в областях развития карста в массивах галоидных пород гидротехническое строительство не рекомендуется из-за возможного их растворения и в целом резкой активизации карстового процесса. В областях развития мелового карста строительство гидроэнергетических сооружений не вызывает больших затруднений, хотя при эксплуатации гидроузлов несущая способность пород может значительно снизиться из-за их перехода в текучее состояние при динамических нагрузках. В областях развития карбонатного карста неприятности также начинаются в период эксплуатации сооружений, но связаны они будут с другими причинами — медленным ростом карстовых полостей и выносом их заполнителя фильтрационными потоками. Следует отметить, что эти особенности влияния инженерно-геологических условий закарстованных территорий на устойчивость сооружений не распространяются на другие виды строительства. Например, подземные резервуары для хранения углеводородов (природного газа) предпочтительно сооружать в областях развития галогенных формаций, отличающихся низкой проницаемостью и приемлемыми физико-механическими свойствами. Соляной карст здесь не препятствует строительству, так как обычно имеет исключительно поверхностные формы или развит только на контактах с другими геологическими структурами.
Результаты инженерно-геологических работ позволяют не только выявить характер и степень развития карста, но и определить принципиальные вопросы освоения территорий. Известно, что при изысканиях для гидротехнического строительства во избежание негативных последствий активизации карста (табл. 2) предпочитают «уйти» с закарстованных территорий. В силу экономических соображений это не всегда удается, и тогда приходится приспосабливать компоновку гидроузлов к закарстованным массивам с целью обеспечения их устойчивости и нормальных условий эксплуатации. Удачным примером такого приспособления являются результаты инженерно-геологических работ для проекта Павловской ГЭС на реке Уфа. В результате крупномасштабной геологической съемки специалисты пришли к выводу, что «ядро» левобережного водораздельного карбонатного массива не закарстовано, а следовательно, уровень подземных вод там будет выше проектируемого напорного уровня водохранили ща, поэтому утечки из водохранилища в соседнюю долину реки Ямал-Янги происходить не будут. Этот прогноз в дальнейшем был подтвержден результатами бурения и режимными наблюдениями.
| Таблица 2Негативные последствия активизации карстовыхпроцессов при создании гидроэнергетическихкомплексов | ||||
| Гидроэнер-гетическийкомплексстрана | Высотаплотины,м | Породыоснования | Год строи-тельства | Негативныепоследствия |
| Хэлс Бар,США | 34 | известняки | 1905-1913 | Не удалось заполнитьводохранилище |
| Камараза,Испания | 103 | доломиты,известняки | 1920 | Увеличение глубинызаложения плотины на 4-7 м |
| Монте-Ха-ка, Испания | 72 | известняки | 1924 | Не удалось заполнитьводохранилище |
| Докан, Ирак | 111 | долмиты,сланцы,известняки | 1958 | Укрепительная цементацияоснования |
| Аустин,США | 18.3 | гипс | 1983 | Разрушение плотины из-за проваланад карстовыми пустотами |
| Павлов-екая ГЭС,Россия | 56 | известняки | 1966 | Многорядная противо-фильтрационная завеса |
Еще одним направлением работ является обоснование противокарстовых мероприятий. Они помогают снизить активность карстовых процессов, уменьшить или увеличить в необходимой степени деформации грунтовых толщ для стабилизации условий строительства, предотвратить повышенную фильтрацию и прорывы воды из карстовых полостей в подземные сооружения и горные выработки.
Однако проведение детальных инженерно-геологических исследований на стадии проектирования сооружения не гарантирует полного объема информации о таких трудно прогнозируемых процессах, как карст. Поэтому в практике современного строительства широко используется метод активного проектирования противокарстовых мероприятий, который предусматривает получение дополнительной геологической информации уже на стадии строительства (после вскрытия строительного котлована) и оперативное внесение изменений в проект. В качестве примера приведем опыт проектирования противокарстовых мероприятий в основании оголовка донного водосброса-водовыпуска Юмагузинского гидроузла на реке Белой в Башкортостане. После корректировки проекта из-за увеличения реальной глубины закарстованности карбонатных пород было принято решение о проведении укрепительной цементации на глубину 20-30 м, забивке 20 железобетонных буронабивных свай диаметром 500 мм до глубины 20-44 м и создании дополнительных конструктивных элементов, опирающихся на слабо закарстованную часть массива.
С эколого-геологических позиций поверхностный карст оценивается двояко. С одной стороны, он снижает комфортность проживания населения, приводит к сносу или переносу зданий и сооружений, затрудняет распашку земли и прокладку дорог, а с другой — создает неповторимые ландшафты, являющиеся местами отдыха и прогулок.
В ряде случаев по характеру экологических последствий карст относится к опасным процессам, приводящим к человеческим жертвам. Но чаще, из-за медленного развития, его относят к процессам,опосредованно воздействующим на людей через деградацию существующих экосистем. Эти воздействия усиливаются деятельностью человека, в результате которой происходят изменения в окружающей среде. Достаточно сказать, что в целом мощность техногенных воздействий на природную среду удваивается каждые 14-15 лет. Не представляет собой исключения в этом отношении и карст. Энергия природных карстовых провалов составляет 108—1010 Дж, а энергия аналогичного техногенного процесса (обрушения выработанных пространств) практически соизмерима с ней и составляет 106 Дж.