Лекция 17
Тема: КАРСТ И СУФФОЗИЯ
Карст и карстовые формы рельефа. Определение понятия "карст".
Условия и типы карстообразования. Поверхностные формы карстового рельефа и условия их образования. Гидрологический режим карстовых областей и его влияние на формирование рельефа. Речные долины карстовых областей, их морфологические особенности и типы. Подземные воды и карстовые пещеры. Зонально-климатические типы карста. Псевдокарст. Значение изучения карстовых процессов и карстовых форм рельефа.
Под карстом понимают совокупность характерных форм рельефа и особенностей наземной и подземной гидрографии, свойственных областям развития растворимых горных пород.
Карст – процесс выщелачивания легко растворимых горных пород (карбонатов и сульфатов) подземными и поверхностными водами. В результате образуются Карстовые формы рельефа.
Сравнительно легко растворимыми породами являются
известняк,
мел,
доломит,
мергель,
гипс,
ангидрит,
каменная соль.
Чаще всего встречаются формы рельефа, связанные с карстом в карбонатных породах — известняках и доломитах.
В этих породах вода, обогащенная углекислотой, проникает по трещинам,
растворяет и выщелачивает их,
преобразуя углекислый кальций в бикарбонат, причем растворимость увеличивается в 100 раз.
Интенсивность карстового процесса и его рельефообразующая роль зависят от ряда факторов.
1. Активнее карст развивается в чистых известняках и доломитах, содержащих незначительное количество нерастворимых примесей.
2. Карстовый процесс происходит в различных климатических зонах.
В условиях влажного климата большое количество выпадающих осадков определяет скорость процесса растворения и способствует активизации карстовых форм.
В условиях сухого климата процесс идет значительно медленнее.
3. Имеют значение также мощность и площадь распространения карстующихся пород.
4. Не менее важным фактором является трещиноватость карстующихся пород.
Интенсивная трещиноватость увеличивает так называемую «скважность» пород, усиливает поглощение атмосферных осадков и циркуляцию подземных вод.
5. Рельеф местности, его морфология, расчлененность, глубина вреза также влияют на развитие карста.
По выровненной поверхности атмосферные воды стекают медленно, длительно воздействуют на растворимые породы и больше просачиваются вглубь по трещинам.
С крутых же склонов вода быстро стекает, не производя значительного растворения пород.
Более глубокое эрозионное расчленение увеличивает мощность зоны циркуляции карстовых вод, способствует более интенсивному растворению.
Поэтому в горных странах активный карст приурочен к обширным известняковым плато с ровной поверхностью, расчлененной глубокими долинами (Крым, Кавказ, хребет Каратау, Балканы и др.).
Карстообразование наблюдается и в областях с горизонтальным залеганием слоев, и на участках складчатой структуры.
Горизонтально лежащие слои карстуются хуже.
Наклонно залегающие породы карстуются сильнее за счет более интенсивной циркуляции воды между слоями.
Складчатая структура может определить ориентировку в расположении поверхностных карстовых форм в соответствии с простиранием растворимых пород или тектонических нарушений в них.
В областях развития мощных карстующихся толщ горных пород Д. С. Соколов выделяет четыре вертикальные зоны, различные по условиям движения подземных вод и, следовательно, условиям карстообразования (рис. 32).
1. Зона аэрации, где происходит нисходящее движение инфильтрационных вод.
2. Зона периодического насыщения, сезонного колебания уровня подземных вод.
3. Зона полного насыщения, где движение подземных вод направлено в сторону речной долины.
4. Зона, глубинной циркуляции, где движение воды происходит очень медленно в сторону тектонических депрессий. Здесь карстообразование прекращается.
Уровень, ниже которого не происходит процесса растворения и образования карстовых форм, называется базисом карстования.
Этот уровень регулируется:
изменением положения уровня грунтовых вод, который связан с базисом эрозии.
Положение базисом эрозии определяется тектоническими движениями.
При поднятии местности или опускании базиса эрозии карстообразование идет глубже, при опускании местности начинается затухание карста.
В зависимости от особенностей залегания растворимых горных пород и наличия или отсутствия покровных образований карст подразделяется на два основных типа:
открытый, или средиземноморский карст и
закрытый, или среднеевропейский карст.
Открытый карст
развивается в растворимых породах, обнажающихся на дневной поверхности (Крым, Кавказ и область Средиземноморья).
развиты обычно все встречающиеся разновидности карстовых форм.
Закрытий карст
развит в растворимых породах, перекрытых нерастворимыми рыхлыми горными породами (Средняя и Восточная Европа, Урал Сибирь).
Здесь встречаются не все поверхностные формы карста.
Карст, развивающийся под растворяющим действием поверхностных вод,
создает поверхностные карстовые формы (поверхностный карст);
За счет растворения подземными водами
образуется подземные карстовые формы (глубинный или подземный карст).
Поверхностные карстовые формы
Наиболее простые формы поверхностного карста - это
карры и
карровые поля.
Карры (рис. 33).
это системы узких желобков борозд, разделенных неширокими гребешками
образуются на поверхности известняков, лишенных рыхлого покрова,
образуются под действием дождевых и талых снеговых вод
Глубина ложбинок может меняться от десятков сантиметров до 1,5-3 м.
Ширина ложбинок и гребней — от нескольких сантиметров до 1-1,5 м.
В поперечном сечении карры имеют причудливый вид, стенки желобков неровные.
В плане карры вытянуты параллельно друг другу в направлении более крутого уклона поверхности либо сливаются и ветвятся на пологих поверхностях.
Карры развиваются по трещинам, обеспечивающим циркуляцию вод.
Если трещины сближены, гребешки образуют очень узкие, с острыми зубцами «карровые ножи».
На морских побережьях, сложенных известняками, в образовании карров большую роль играет морская вода в полосе прибоя и приливов
Карровые поля
Многочисленные карры, расположенные на значительных площадях и образующих труднопроходимый рельеф.
Более сложной и в то же время типичной формой поверхностного карста являются
карстовые воронки (см. рис. 33).
Карстовые воронки
Возникают в трещиноватых известняках, часто в местах пересечения трещин, наиболее благоприятных для просачивания.
Дождевая и снеговая вода, стекающая на глубину, недостаточно насыщена и поэтому растворяет стенки трещин, образуя западины, которые имеют форму воронки с поглощающим отверстием на дне, называемым понором.
Карстовые воронки имеют округлую или неправильную форму в плане, довольно крутые склоны.
Развиваясь в течение длительного времени, они достигают глубины 15-20 м;
диаметр большинства воронок достигает 30-35 м, редко 100 м и более.
Образуются воронки на плоских поверхностях, но могут встречаться и на склоне.
Такие карстовые воронки относятся к воронкам поверхностного выщелачивания.
При обрушении сводов подземных карстовых полостей образуются провальные воронки, иногда значительных размеров.
Провальные воронки
встречаются реже,
отличаются крутыми склонами, четкой бровкой, часто угловатыми очертаниями в плане;
дно покрыто глыбами обрушившегося свода.
Глубина изменяется от 2-5 до 8-12 м.
Карстовые воронки на поверхности могут быть вытянуты в виде цепочки
вдоль крупного тектонического нарушения или
над подземной карстовой пещерой.
В процессе развития карстовой воронки при выщелачивании известняков
нерастворимые частицы оседают на дне и стенках воронки, которые приобретают блюдцеобразную форму, более плоскую, менее глубокую.
Этот нерастворимый осадок окислов железа, кремния и алюминия, окрашенный в красно-бурый цвет — может привести к закупориванию понора и образованию карстовых озер.
При расширении и слиянии карстовых воронок возникают крупные карстовые формы (terra-rossa),
котловины
полья
Это обширные замкнутые депрессии
площадь до 300-400 км2
с плоским дном и крутыми склонами,
с отдельными останцами — перемычками.
образование связано частично и с обрушением кровли крупных карстовых полостей, а также может быть предопределено тектоническими разрывами.
Днища обычно затянуты мощным чехлом нерастворимого краснозема, покрыты растительностью.
Местами наблюдаются воронки с понорами, поглощающими воду.
В карбонатных и гипсовых толщах по плоскостям напластования, где циркулируют растворяющие породу воды, могут развиваться
ниши и
навесы
глубина до 1-5 м.
Потолок обычно имеет форму свода.
Образование, расположение и форма связаны с трещиноватостью пород.
Карстообразование в сочетании с эрозионной деятельностью поверхностных вод приводит к
образованию характерных четкообразных слепых долин,
долины заканчиваются ручьем, уходящим по трещине вглубь.
Расширенные участки долины соответствуют карстовым воронкам,
Эти участки соединяются более узкими отрезками эрозионного пропиливания.
Исчезающие реки
могут течь на глубине по карстовым каналам на протяжении сотен и даже тысяч метров,
могут затем снова появиться на поверхности, в склонах гор
появляются в виде мощных карстовых источников со значительным гидростатическим напором, которые называются воклюзы.
Тропический карст развивается
В тропиках
с высокой температурой воздуха и
с большим количеством осадков
в чистых массивных известняках
представлен характерными башенными, коническими или куполовидными остаточными возвышенностями
высота возвышенностей 100-300 м,
возвышенности разделены широкими впадинами с плоскими днищами.
Активному растворению в тропиках способствует интенсивное обогащение карстовых вод углекислотой и гуминовыми кислотами, образующимися за счет быстрого разложения обильных растительных остатков.
Подземные карстовые формы
А. Пепеходные карстовые формы от поверхностного к глубинному карсту:
По мере развития поверхностного карста
поглощающая трещина (понор) расширяется, превращается в карстовый колодец,
колодец представляет собой вертикальное углубление, достигающее десятков метров в глубину.
С наиболее глубокими трещинами связаны карстовые шахты — глубокие, узкие трубообразные отверстия, уходящие на глубину до сотен метров.
В их формировании участвуют процессы
растворением и
размыв карстовыми водами, и
обрушение.
Б. Типичные подземные карстовые формы
Пещеры
образуются под действием подземных вод
в результате расширения трещин в карстующихся породах и
вдоль плоскостей напластования, поэтому
их расположение и форма определяются трещиноватостью и условиями залегания пород.
Образование пещер связано
с уровнем базиса карстования,
уровень базиса карстования зависит от зеркала грунтовых вод и, следовательно, базиса эрозии.
Пещеры могут быть
горизонтальные и
наклонные,
заканчиваться слепо, т. е. иметь только один вход
или несколько входных отверстий (сквозные пещеры).
Они могут многократно разветвляться и протягиваться на большие расстояния
(до 290 км — Мамонтова пещера в США).
На потолках и днищах многих пещер
развиты натечные известковистые образования
сталактиты и
сталагмиты (рис. 34),
которые при слиянии могут образовать мощные колонны (сталагнаты).
Стенки пещер
обычно неровные,
часто осложнены нишами и трубчатыми ходами,
покрыты карбонатными корками или рыхлыми продуктами выщелачивания известняков.
Рис. 34. Обобщенная схема пещерных образований.
1 — сталактит; 2 — бахрома и занавеси; 3 — флаг; 4 — «макароны»; 5 — гелектиты; 6 — сложный сталагмит; 7 — шесты; 8 — кальцитовые «водопады»; 9 — столбы и колонны (сталагнаты); 10 — озеро с кальцитовым обрамлением; 11—«пещерный жемчуг»—кальцитовые пизолиты; 12 — глыбы; 13 — песчано-глинистые отложения
На дне пещеры
карстовые воды образуют подземные реки или вода скапливается в карстовых озерах.
Часто пещеры располагаются одна над другой несколькими этажами.
По мере развития подземного карста усиливается дренаж подземных вод, снижается их уровень, а следовательно, и «базис карстования».
Образование пещер переходит на более низкий уровень.
Этот процесс может быть вызван и понижением базиса эрозии вследствие прерывистых тектонических поднятий района.
Отсюда нередко видна связь уровней карстовых пещер с определенными уровнями надпойменных террас в речной долине.
Карстообразование — это длительный процесс, он может продолжаться не один геологический период и затрагивать породы различного возраста.
Различают древний карст,
формирование которого закончилось и
он не связан с современной эрозионной сетью.
Поверхностные формы такого карста обычно погребены под более молодыми отложениями, затянуты продуктами выветривания, задернованы.
Полости молодого карста
часто открыты,
тесно связаны с современной гидрографической сетью, дренирующей карстовые воды.
Углекислый карст
образуется главным образом под влиянием углекислых вод
это все описанные формы рельефа.
Рудный или сернокислый карст
Развит в районах с сульфидной минерализацией
в развитии карста имеют большое значение сернокислые воды, образованные в результате окисления сульфидов.
Сернокислые растворы ускоряют процесс карстообразования и приводят к образованию карстовых полостей, располагающихся как в самом рудном теле, так и в зоне окисления, а также на некотором расстоянии от последних.
В таких карстовых пустотах и пещерах стенки покрыты натечными окисленными рудами, переотложенными трещинно-карстовыми водами.
Нередко эти руды цементируют рыхлые продукты разрушения вмещающих рудное тело карбонатных пород.
Обогащаясь вблизи рудных залежей серной кислотой, подземные воды продолжают растворение карбонатных пород и на путях своего движения, достаточно удаленных от участков окисления сульфидов.
закономерность расположения карстовых пустот в пределах рудных месторождений может служить некоторым поисковым признаком сульфидной минерализации и учитываться при проведении горных работ.
Примерами рудного карста могут служить Карасайская пещера и другие карстовые полости в хребте Каратау (Южный Казахстан).