Курсовая работа: Карстовые процессы

Курсовая работа: Карстовые процессы

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Естествознание»

по теме: «Карстовые процессы»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Теория карстовых процессов

2. Изучение и контроль карстовых процессов

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Карстовые процессы распространены исключительно широко, по данным Г.А. Максимовича выходы карстующихся горных пород занимают около 50 млн. кв. км, то есть примерно треть площади суши. Еще недавно карст считался относительно редким явлением, но это убеждение было разрушено при детальном исследовании территорий, представление о которых ранее было поверхностным или отсутствовало вовсе. Кроме того, изначальное представление о касте, под которым понимался голый карст средиземноморского типа (в пределах бывшего СССР развит в Горном Крыму), было существенно расширено за счет изучения покрытого карста, распространенного на обширных платформенных территориях, тропического карста, карста в некарбонатных породах. Хотя карст в карбонатах составляет примерно 4/5 от всего известного количества случаев, гипсовый карст также имеет большое практическое значение; крупнейшие пещеры в пределах бывшего СССР (в Подолии) – Оптимистическая и Озерная заложены в гипсово-карбонатных толщах. Небольшая доля закарстованных территорий приходится на соляной карст. Поэтому, исходя из вышеизложенного, тема данной работы актуальна.

Цель данной работы подробно описать карст. На основании цели в работе поставлены следующие задачи.

·     Дать определение карста с различных точек зрения.

·     Описать карстующиеся породы и условия развития карста.

·     Перечислить и проанализировать поверхностные и подземные карстовые формы.

·     Описать механизм изучения и контроля карстовых процессов.

·     Описать натечно-капельные и кристаллические образования в пещерах.

Работа состоит из введения, двух глав и заключения.

Первая глава посвящена теории карстовых процессов, вторая – анализу процесса наблюдения и контроля за карстами.

В заключении делаются выводы по теме работы.

1. ТЕОРИЯ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Скорость движения подземных вод мала, поэтому они воздействуют на рельеф большей частью не механически, а путем растворения горных пород. Растворяются известняки, каменная соль, гипс и некоторые другие породы. Растворяя породу, вода образует полости, пещеры, провалы и т. д. Весь этот комплекс процессов и образующихся в результате их наземных и подземных форм рельефа носит название карст – по названию плоскогорья Карст, или Крас (Kras), на северо-западе Балканского полуострова.[1]

Карстовые явления распространены чрезвычайно широко. По геологическим условиям примерно третья часть площади суши земного шара имеет потенциальные возможности для развития. Вместе с тем карст существенно влияет на ландшафтные особенности территории, ее рельеф, сток, подземные воды, реки и озера, почвенно-растительный покров, хозяйственную деятельность населения.

Дренирующая способность карста усиливает недостаток влаги в засушливых областях и, наоборот, создает более благоприятные условия для развития ландшафтов в областях, избыточно увлажненных. Карст ведет к деградации вечной мерзлоты, также заметно улучшая природные особенности территории.

Существующие многочисленные определения карста отражают три подхода к этому сложному природному феномену.

Географы и геоморфологи рассматривают карст как геоморфологическое явление, обращая особое внимание на изучение карстовых форм; геологи видят в нём полигенетический процесс; гидрогеологи и инженеры-геологи понимают карст как единство или совокупность процесса и явления.

Проблемами изучения карста и его распространением интересуются геологи, гидрогеологи, геоморфологи, гидрологи, физико-географы, ландшафтоведы, инженеры-проектировщики и строители, многие специалисты других областей знания.

Не все природные полости являются карстовыми. К ним, например, не относятся:

а) Раскрытые тектонические трещины;

б) Пустоты в лавовых потоках;

в) Полости в гидротермальных и пегматитовых жилах.

Карстующимися породами являются:

·  известняки (порода, целиком состоящая из минерала кальцита);

Как правило, органогенного происхождения, образуются в океанах на значительных глубинах, представляют собой известковые останки морской флоры и фауны.

·  мергели (известняк с глинистой составляющей более 5%);

·  меловые породы (разновидность известняка из останков планктонных водорослей);

·  доломиты, доломитизированные известняки (известняк с примесью минерала доломита СаMg[CO3]2);

·  гипсы (порода, целиком состоящая из минерала того же названия – гипс СаSO4*2H2O);

·  ангидриты (как порода состоят из минерала ангидрита (безводного гипса) CaSO4 );

·  соленосные толщи;

·  конгломераты;

Окатанная галька любого состава, сцементированная известковым цементом с примесью песка. Растворяется известь, а галька выносится механически.

·  брекчии;

Отличается от конгломерата неокатанностью сцементированных обломков.

·  песчаники (сцементированный известковым цементом песок различного состава;

·  вулканические туфы (также содержат известковую составляющую, которая может легко растворяться).

В трудах Ф.П. Саваренского и Д.С. Соколова показаны условия развития карста.[2]

С некоторыми уточнениями это:

 во-первых, наличие растворимой в природных водах горной породы, как правило (исключением являются случаи поверхностного контактного выщелачивания) водопроницаемой вследствие трещиноватости или пористости;

во-вторых, наличие растворителя, т.е. воды, агрессивной по отношению к горной породе;

в-третьих, наличие условий, обеспечивающих водообмен, – отток насыщенной растворенным веществом воды и постоянный приток свежего растворителя.

Если первое условие определяется геологическим строением местности, то второе и отчасти третье тесно связаны с физико-географической обстановкой, второе – с климатом и почвенно-растительным покровом, третье – с геоморфологическими и гидрологическими условиями помимо геологической структуры и гидрогеологических особенностей.

Разрушение горных пород связано со следующими факторами:

·  Эрозия – механическое разрушение горных пород водными потоками.

·  Коррозия – химическое растворение горных пород водой (в том числе – биологическая коррозия – растворение горной породы органическими кислотами и другими продуктами жизнедеятельности).

·  Нивация – разрушение горных пород снежным покровом.

·  Гляциальные процессы – разрушение ледниками.

·  Суффозия – выщелачивание растворимых солей почвы и вмывание в глубину тончайших нерастворимых частиц горных пород токами воды.

·  Гравитационные процессы (обвалы и проч.).

К поверхностным карстовым формам относятся карры, желоба и рвы, воронки, блюдца и западины, котловины, полья, останцы.

Среди карров в генетическом аспекте следует различать:

1. Формы, возникшие на оголенной поверхности растворимой горной породы.

2. Формы, образовавшиеся под почвенно-растительным покровом с последующим его удалением.

Карры второго типа известны во многих странах мира. «Классические известняковые «мостовые» в Малхеме, а также в Пенинских горах, как полагают, сформировались под почвенным покровом, который позднее был размыт.

Морфологически карры подразделяются на желобковые, стенные, лунковые, трубчатые (в виде трубообразных цилиндрических углублений в гипсах), каменицы, карры в виде следов, бороздчатые, меандровые, трещинные.

Некоторые ученые выделяют структурные карры, встреченные на Алтае: на крутом известняковом откосе выработаны карровые углубления в химически относительно чистом известняке, разделенные узкими гребнями, которые соответствуют сильнокремнистым прослойкам[3].

По генезису особо выделяются желобковые и трещинные карры.

Желобковые карры формируются под воздействием только атмосферных осадков, в результате трех первых фаз растворения известняка, без участия четвертой фазы, тогда как остальные типы карров образуются под действием всех фаз растворения: в их формировании участвуют и воды, обогащенные биогенной углекислотой за счет соприкосновения атмосферных осадков и талых вод с почвенно-растительным покровом.

Трещинные карры отличаются от остальных путями удаления растворенного вещества. Если у большинства других типов карров оно осуществляется поверхностным стоком, то при образовании трещинных карров участвует и вынос растворенного вещества подземным путем, через трещины.

Выделяют три основных типа карров в Западных Татрах: стоковые, трещинные и эгутационные. Возникновение последних связано с действием воды, капающей на поверхность известняка со снежных покровов. Стоковые карры подразделяются на образованные дождевыми водами, талыми снеговыми и водами, просачивающимися через почвенно-растительный покров. Если говорить о характере растворителя, то можно выделить еще карры, созданные речной водой и морской водой – морские карры. Встречаются лунковые карры, они распространены в морском карсте, таким образом, намечается несколько генетических классификаций карров, в которых предусматривается наличие или отсутствие прямого или косвенного влияния почвенно-растительного покрова, учитывая источник и характер растворяющей воды, пути удаления растворенного вещества.

Карстовые желоба и рвы (более глубокие и обязательно с крутыми бортами) развиваются вдоль раскрытых тектонических трещин (нередко в результате разгрузки на крутых склонах), или вдоль трещин отседания склонов, или трещин «бортового отпора». Они тянутся на десятки и сотни метров, а иногда и на несколько километров, достигая различной ширины и глубины. На концах они замкнуты, на дне могут иметь многочисленные углубления. Прямолинейные рвы в известняках, разработанные по вертикальным тектоническим трещинам, шириной 2-4 м и глубиной до 5 метров (в Югославии их называют богазами).

Среди карстовых воронок выделяют три основных генетических типа:

·  Воронки поверхностного выщелачивания, или чисто коррозионные.

Образуются за счет выщелоченной на поверхности породы через подземные каналы в растворенном состоянии.

·  Провальные воронки, или гравитационные.

Образуются путем обвала свода подземной полости, возникшей за счет выщелачивания карстующихся пород на глубине и выноса вещества в растворенном состоянии.

·  Воронки просасывания, или коррозионно-суффозионные.

Образуются путем вмывания и проседания рыхлых покровных отложений в колодцы и полости карстующегося цоколя, выноса частиц в подземные каналы и удаления через них во взмученном и взвешенном состоянии.

Распространен и переходный тип между типами 2-м и 3-м. Кроме трех основных типов и переходного могут быть отмечены еще несколько типов. Генетически близки к воронкам поверхностного выщелачивания коррозионно-эрозионные воронки, возникающие из поноров на дне логов или польев. Более редкий тип – воронки, разработанные действием восходящих источников. Блюдца, западины – это нечетко выраженные мелкие воронки.

Воронки всех генетических типов, сливаясь своими краями, образуют сдвоенные, строенные и более сложные ванны и котловины. Крупные котловины в Югославии называют увала. Выделяют два основных типа: Увала – сложные, образовавшиеся посредством слияния нескольких больших воронок (вртача), с рядом углублений на дне, и плоскодонные котловины.

Котловины могут относится к генетическим типам – поверхностного выщелачивания, провальному, просасывания, а также созданным в комбинации с другими процессами, например эрозионным. Крупные котловины поверхностного выщелачивания часто образуются за счет корродирующего действия талых вод снежных и фирновых пятен. Многие из таких котловин наследие перигляциальных условий последней ледниковой эпохи.

Полья по своему происхождению до недавнего времени разделяли на следующие виды:

·  Тектонические.

·  Возникшие путем подземного механического выноса нерастворимой породы, залегающей среди карстующихся известняков или на контакте с ними.

·  Образовавшиеся путем слияния группы смежных воронок и котловин (увала) при их росте в горизонтальном направлении.

·  Провальные.

Крупные котловины чисто тектонического происхождения (грабены, синклинальные прогибы) нельзя считать польями. При образовании польев обязательны выщелачивание и вынос растворенного вещества через подземные каналы. Поэтому в первую группу следует включить тектонически-коррозионные и тектонически-коррозионно-эрозионные полья, к которым, вероятно, относятся большая часть крупных польев Югославии.

Широко распространены полья второго типа, к ним относятся Шаорская и Ахалсопельская котловины. Полья третьего типа обычно небольшие, неправильной лопастной формы характерные не только для карбонатного, но и для гипсового карста, встречаются даже в платформенных условиях.

Карстовые останцы характерны в основном для весьма зрелых стадий развития карста. Они многочисленны и разнообразны в быстро развивающемся соляном карсте. В карбонатном же в карсте останцы свойственны преимущественно тропическим областям, если не иметь ввиду мелкие, а также реликтовые формы, образовавшиеся в прежних тропических условиях. Для тропического карста характерны высокие и крутосклонные останцы в виде столбов, конусов, плоских башен и более мелкие конусообразные и куполовидные формы. Склоны останцов (моготе) могут быть голыми, изборожденными желобковыми каррами, либо густо одетыми древесно-кустарниковой растительностью, среди которой на оголенных отвесных скалах развиты стенные карры. В обрывистых стенах встречаются гроты, нередко со сталактитовыми занавесями. Внутри останцы бывают пронизаны пещерными ходами. Считают, что останцы образуются лишь в химически относительно чистых массивных известняках. Переход от поверхностных форм к пещерам типа гротов представляют навесы и ниши. Естественные мосты и арки чаще встречаются при обрушении потолка пещерных тоннелей, а иногда и ниш.

Среди подземных карстовых форм можно выделить карстовые колодцы и шахты, пропасти, пещеры.

Карстовые колодцы и шахты это вертикальные или круто наклонные полости, различающиеся между собой по глубине; к шахтам относятся полости глубже 20 метров, достигающие нескольких десятков, а то и сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть провальными (гравитационными); гравитационно-коррозионными, образованными путем выщелачивания водой карстующейся породы по трещинам и частичных обрушений.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся, в частности, глубочайшие карстовые полости мира, достигающие глубины 1000 метров и более.

Большинство карстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместном действии растворения и размыва горной породы. При восходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщ и складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей. Известны значительные многоэтажные пещерные системы.

В пещерах-ледниках существуют следующие ледяные натечно-капельные и кристаллические образования:

·  Остаточные.

Если нерастворимая часть карбонатной породы (глинистые и песчанистые частицы) не уносится водными потоками, а остается на месте своего образования (так называемая «глинка»), то это элювий.

·  Обвально-гравитационные. (Обвалы, глыбы, щебень.)

·  Речные отложения – аллювий, аллювиальные. (Песок, галька, гравий.)

·     Криогенные (продукты ледниковой деятельности, находятся в нижних частях нивально-коррозионных колодцев).

·     Биогенные.

·     Гуано (тропические пещеры), экскременты летучих мышей, в привходовых частях – кости упавших животных, стволы деревьев.

·     Хемогенные. Все виды натечных образований:

а) Сталактиты, сталагмиты, сталагнаты (сросшиеся в колонну сталактит и сталагмит), облицовка стен, занавеси, портьеры (если источник раствора не точечный, а линейный щель), палки, пагоды, медузы, колонны, каменные плотины, каменные водопады. Все перечисленные формы имеют одно происхождение.

б) Макаронины.

Если сталактит имеет сосулькообразную, коническую форму, то макаронины имеют по всей длине (до метра и более) примерно одинаковую толщину. Зерна слагающего его кальцита более крупные, полый канал в макаронине имеет диаметр до нескольких миллиметров, а у сталактита он очень тонкий. Сталагмит канала не имеет вовсе.

в)Кораллиты (на западе их называют ботриоидами).

Механизм их образования до конца не ясен. Вероятно, они образуются диффузией ионов из окружающих пород через водные пленки, конденсирующиеся на стенах полостей. Обычно образуются на боковых стенках и дне пещер.

г) Кристалликтиты.

Пучки хорошо выраженных кристаллов кальцита (до первых см.), растущие из вершин кораллитов.

д).Геликтиты. (От греческого слова «геликос» – скрученный.)

Сталактит растет строго по вертикали, поскольку его рост контролируется силой тяжести. Рост геликтита контролируется не силой тяжести, а кристаллизационной силой. Кристалл представляет собой параллельные ряды атомов и следующий ряд подстраивается к предыдущему. Таким образом, рост происходит по оси роста кристалла, которая может быть ориентирована в пространстве как угодно.

Поэтому, направление роста геликтита также не зависит от силы тяжести. Скручивание происходит из-за примесей других атомов. Если в слое одинаковых атомов появляется чужеродный атом, то следующий слой не будет параллелен предыдущему, и направление роста кристалла изменится. Геликтит представляет из себя сросток параллельных волосовидных кристаллов кальцита или арагонита.

е) Лунное молоко (moonmilk).

Представляет из себя зародыши кристаллов кальцита, рост которых блокировался адсорбцией ионов магния поверхностью зародышей. Поэтому уже образовавшиеся микрокристаллы далее не растут. Но раствор пересыщен карбонатом кальция и последний должен выпадать в осадок. Выпадают все новые кристаллы, рост которых тут же блокируется.

ж)Антолиты.

Игольчатые кристаллы легкорастворимых минералов (гипс и др.) на дне высохших луж, озер. Характерны для южных, тропических пещер, где влажность не высока и возможно высыхание. В условиях Кавказа иногда встречаются на значительных глубинах, где температура может увеличиваться на 5-10 градусов. В среднем температура пород увеличивается на 1 градус на каждые 33 м. глубины.

з) Пизолиты (пещерный жемчуг).

Неприкрепленная форма, округлые образования до 1-2см. в диаметре на дне подземных озер.

е) Пленки, забереги, оторочки, блюдца – по берегам подземных озер.

Наряду с растворением подземные воды способны в определённых условиях выносить из горных пород твёрдые частички чисто механическим путём. Это процесс суффозии. Она особенно проявляется на выходе восходящих источников напорных вод. Вынос источником глины и песка из водоносного слоя уменьшает постепенно объём слагающей его породы и вызывает тем самым просадку и обрушение части склона, расположенной под источником.

Осевшая порода размокает и уносится водой. Постепенно над источником в склоне образуется полукруглая выемка с крутыми склонами: суффозионный цирк – обычно небольших размеров. Суффозия на выходе подземных вод является одним из существенных факторов, способствующих возникновению оползней.

Существуют следующие стадии образования пещер:

1. Образование полости.

Происходит чистая эрозия вместе с коррозией. Обвалы, бурные потоки воды. Натеки и кристаллические образования не встречаются. Большинство абхазских пещер находятся на этой стадии развития.

2. Уменьшение притока воды, уменьшение эрозии.

Вода стекает струями по стенам пещеры. Образуются крупные натеки: облицовка стен, пагоды, колонны, травертиновые плотины, каменные водопады. Много озер, пизолиты.

3. Приток воды еще меньше, по каплям.

Образуются макароны, тонкие сталактиты.

4. Приток воды еще меньше.

Вода конденсируется из воздуха. Происходит рост кораллитов благодаря диффузии. На концах кораллитов возникают кристалликтиты.

5. Полное высыхание пещеры. Карст стареет. Реликтовый карст. Пещеры Крыма в большинстве своем находятся на этой стадии развития.

Перечисленные пять стадий могут повторяться. Известны пещеры, где прошло шесть полных циклов. Какие-то стадии могут выпадать, развитие может остановиться на каком-то этапе.

Интенсивность карстообразования зависит от следующих факторов:

1. Уровень грунтовых вод.

(Пример: Московская область, карстующиеся породы имеют мощность до сотни метров, найден погребенный карст, но современный карст практически отсутствует. Причина: грунтовые воды залегают на глубине 5-10м.)

2. Химическая инертность пород.

Примеси магния резко снижают интенсивность карстообразования. (Пример: Скалистый хребет в Северной Осетии.)

3. Примеси глинистого материала. Микротрещины забиваются глинистыми частицами (кольматация трещин). Поэтому карст не развивается по мергелевым толщам.

4. Экспозиция склона.

Более благоприятен северный склон, так как там больше влажность и дольше держится снеговой покров (более интенсивны нивальные процессы).

5. Рельеф.

Особенно благоприятны закрытые котловины, днища с откосами до 15 градусов.

6. Почвы.

Мощность и биология почв влияют на обогащение вод углекислотой и, следовательно, на интенсивность карстовых процессов. Горные черноземы, горные лесные почвы особенно благоприятны. Неблагоприятны скелетные маломощные почвы.

 7. Механические свойства пород. Трещиноватость, напластование.

(Пример: Арабика. Карст особенно интенсивен на участках, где пласты известняка залегают крутонаклонно или даже субвертикально.)

8. Количество осадков. Климат. Интенсивность испарения. Нивация.

(Пример: Кавказ. Области мощного карстообразования находятся на высотах от 1000 до 2200м. Ниже слишком сухо, выше – большую часть года не сходит снежный покров.)

2. ИЗУЧЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Вследствие карстово-суффозионных процессов и явлений уменьшается устойчивость геологической среды, что приводит к катастрофическим последствиям (просадки, провалы, деформации сооружений).

В РФ карстовые процессы широко развиты в Архангельской, Ленинградской, Московской, Тульской, Курской, Нижегородской, Воронежской областях, республиках Башкортостан, Татарстан, Марий-Эл, Мордовия, Пермской, Самарской и Свердловской областях.

Повышенная опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, вызванных активизацией карстовых процессов, характерна для урбанизированных территорий, испытывающих техногенное подтопление. По прогнозам МЧС России в 2005 году опасность проявления карстовых процессов высока в г. Москва, Казань, Уфа, Самара, Пермь,. Нижний Новгород, Дзержинск, Стерлитамак, Соликамск, Павлово и Кунгур, причем их активизация вызывается, как правило, несоблюдением норм строительства и эксплуатации городских подземных коммуникаций, а также нерациональной подземной разработкой полезных ископаемых.

Изучением карстово-суффозионных явлений занимается экогидрогеофизика.

Для изучения устойчивости геологической среды перед геофизикой ставятся следующие задачи:

·  Выделение регионов, где встречаются растворимые породы, оценка литологии и мощности перекрывающих пород, самих карстующихся пород и глубины залегания базиса коррозии, т.е. поверхности скальных пород, ниже которой нет закарстованности.

·  Изучение гидрогеологических условий: наличия водоносных и водоупорных пород, пластовых и трещинно-карстовых вод, их минерализации, динамики (скоростей движения и фильтрации).

·  Выявление трещинно-карстовых зон, отдельных карстовых форм, полостей и т.п.

·  Оценка динамики карстово-суффозионных процессов и устойчивости закарстованных территорий.

Возможность решения поставленных задач геофизическими методами определяется различием геофизических свойств закарстованных скальных пород по сравнению с теми же породами, но не затронутыми карстовыми процессами (ниже базиса коррозии), и перекрывающими, как правило, песчано-глинистыми породами. Закарстованные породы, несмотря на наличие в них полостей, заполненных воздухом, отличаются, тем не менее, пониженными удельными электрическими сопротивлениями и скоростями распространения упругих волн, существованием аномалий естественного электрического поля, повышением гамма-активности. Это объясняется наличием в них глинистых пород и трещинно-карстовых подземных вод, характеризующихся пониженными удельными электрическими сопротивлениями, а часто и скоростями упругих волн. Глинистые породы повышают гамма-активность, измеряемую при гамма-съемках, а трещиноватые альфа-активность, измеряемую при эманационной (радоновой) съемке.

Решение первой задачи производится геофизическими методами, используемыми для картирования. В условиях круто слоистых сред применяются методы гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования (методами естественного поля (ЕП), сопротивлений (ЭП), низкочастотного (НЧП) и высокочастотного (РВП)), гамма- и эманационные съемки. В условиях горизонтально и полого залегающих пород используются электромагнитные зондирования (вертикальные (ВЭЗ), частотные (ЧЗ) или становлением поля (ЗС) или другие), а также сейсморазведка методом преломленных (МПВ) и отраженных (МОВ) волн.

Решение задач также проводится одиночными или режимными электромагнитными профилированиями, сейсморазведкой МПВ. С помощью скважинных геофизических исследований изучаются физические свойства горных пород вокруг скважин и между скважинами, определяются скорости движения и фильтрации подземных вод. Применение не менее двух методов, например одного электроразведочного и одного сейсмического, может дать более достоверное решение поставленных задач.

В качестве примера эффективности скважинных геофизических исследований при изучении карстово-суффозионных процессов можно привести результаты режимных наблюдений на территории г. Москвы, проведенные в рамках Программы мониторинга геоэкологических процессов в городе Москве на 2004-2005 год. Рассмотрим эту программу поподробнее.

Многолетнее хозяйственное освоение территории города Москвы существенно изменило гидрогеологические условия и вызвало активизацию неблагоприятных геологических процессов, нарушающих экологическую устойчивость окружающей среды города. Суммарная площадь карстово-суффозионных участков на территории города составляет 15 квадратных километров.

Многослойное строение толщи пород в верхах зоны пресных вод, ее малая мощность и отсутствие сдерживающих глинистых слоев в кровле карстующихся пород в пределах приречной части городской территории определяют необходимость ведения наблюдений за оползневыми и карстовыми процессами в долинном комплексе реки Москвы и некоторых ее притоков при приоритете организации стационарных инструментальных наблюдений на участках проявления активных глубоких оползней, а также участках с поверхностными формами проявления карста.

Многолетний (с 1974 года) опыт наблюдений за карстовым процессом показал, что большое практическое значение для прогнозирования возможных провалов имеют топографо-геодезические измерения оседания поверхности и визуальные наблюдения за деформациями зданий и земной поверхности.

Таким образом, развитие опасных процессов в геологической среде города нуждается в постоянном мониторинге.

Для организации мониторинга изучения и прогнозирования карстово-суффозионных процессов спроектирована новая сеть, которая включает 16 кустов ярусно расположенных скважин (по 3 скважины в кусте) и 11 одиночных скважин. Необходимость создания новой сети связана с особыми требованиями к зоне их размещения и характеристикам скважин по глубине. Расположение скважин ориентируется на участки нахождения переуглубленных долин, глубина составляет порядка 100 м.

Перечень измеряемых параметров и периодичность наблюдений для мониторинга карстово-суффозионных процессов включает такие параметры как уровни, температура, Ca, Mg, Na+K, HCO3, SO4, Cl, CO2(своб.), O2, pH, общая минерализация, общая жесткость, углекислотная и сульфатная агрессивность, Sr, органолептические свойства, микробиологический состав, гелиевая съемка.

Интересным также при изучении и контроле карстовых процессов является опыт создания геоинформационной системы (ГИС).

Геоинформационные системы с каждым годом приобретают все более важное значение для географической науки. Это объясняется простотой использования данных технологий и нарастающей многофункциональностью создаваемых систем.

Применение геоинформационных систем, позволяет избежать некоторых недостатков, ранее используемых количественных методов. Они, в частности, дают возможность значительно сэкономить время проведения исследований, позволяют избавиться от ошибок, связанных со сложными расчетами, а самое главное, – быстро и качественно визуализировать полученные результаты, воплотив их в тематическую географическую карту, график, или же представив цифровую информацию в виде результирующих таблиц.

 Использование ГИС-систем в изучении карста, – дело относительно новое, хотя уже имеются некоторые наработки. Основным недостатком этих работ является использование стандартных «фабричных» ГИС, страдающих шаблонностью, так как при разработке первых систем, основной упор делался именно на модульность оболочки. Разумеется, эти ГИС позволяют производить весьма качественный материал, но стоит учитывать тот факт, что они не предназначены для изучения конкретной территории и конкретного процесса.

Основные составляющие ГИС – это тематическая и функциональная часть.

Тематическую часть можно подразделить на основные тематические базы данных и сопутствующие. Для предлагаемой системы основными тематическими базами будут являться те данные, которые соответствуют цифровой проекции условий карстообразования, – то есть генетическим факторам. Сопутствующие базы данных отображают факторы, влияющие на протекание карстового процесса.

Функциональная основа представляет собой машинную реализацию модели процесса, со всеми алгоритмами и функциями. В функциональную часть также входит топографическая основа.

Топографическая основа для ГИС-систем является важнейшей составляющей, на которую может накладываться любой изучаемый процесс или объект, и само существование ГИС обусловлено наличием топографической основы, как элемента создаваемого электронного географического пространства.

Как для любого из экзогенных процессов, для карста существуют необходимые условия его возникновения в случае, если они обладают категорией «достаточности». В связи с этим, методологической основой для разработки тематической базы «ГИС-Карст» являются представления Д.С. Соколова[4] о четырех основных условиях развития карста. (Наличие: 1 – карстующихся пород, 2 – их водопроницаемости, 3 – движущихся вод, 4 – и их агрессивности по отношению к вмещающим породам.)

Являясь, по сути, абстрактными понятиями, основные условия объективизируются конкретными факторами природной среды. Однако, из всего многообразия факторов, представляющих то или иное условие, необходимо выделить ведущие или определяющие факторы, которые должны отвечать следующим требованиям: оцениваться количественными параметрами, учитывать основные свойства условия и выражаться на площади, то есть предоставлять возможность картографирования объектов.

Ведущие факторы, отражая пространственную и временную изменчивость карстовой среды, могут являться основой инженерно-геологических, гидрогеологических и других оценок и прогнозов. В этом заключается возможность создания в функциональной части ГИС оценочно-прогнозного или управляющего блока.

Факторы, отражающие первое условие развития карста, – наличие растворимых пород, – объединяются в геологической базе данных, в которую входит:

·  Распространение карстующихся пород по площади и в разрезе.

Основное внимание уделяется сочетаниям карстующихся и некарстующихся пород. В электронно-картографической части строятся геологические карты и разрезы.

·  Мощность карстующихся пород.

От мощности зависит развитие глубинного карста;

·  Дислоцированность и неотектонический режим карстовых массивов, которые определяют, при достаточной мощности известняков, размеры карстовых пещерных и гидрогеологических систем;

·  Литологические особенности карстующихся и некарстующихся пород развитых в регионе;

·  Химический состав горных пород.

От чистоты известняков зависит степень их карстуемости, а от наличия некарстующихся пород, возможность поступления концентрированного поверхностного стока из области их развития. Создаются литологические карты и база данных химических анализов карстующихся пород.

Второе условие – наличие водопроницаемости карстующихся пород представлено геолого-структурной и тектонической базой данных. Сюда входят следующие факторы:

1. Условия залегания пород.

При достаточных углах падения пород межпластовые трещины становятся водопоглощающими;

2. Тектоническая трещиноватость.

3. Литогенетическая трещиноватость и трещины коры выветривания.

4. Тектонические разрывы различного ранга.

Строятся тектонические и геолого-структурные карты, локализованные диаграммы – розы трещиноватости и др.

5. Типы карстовых коллекторов: поровый, трещинно-карстовый, карстовый и др.

Третье и четвертое условие, – наличие движущихся агрессивных вод, объединяются в гидролого-гидрогеологическую базу данных:

1.   Инфильтрационные воды.

2.   Инфлюационные воды.

3.   Конденсация в карстовых и трещинно-карстовых коллекторах.

4.   Гидрологические данные, характеризующие поверхностный и подземный сток – слой стока, норма стока, коэффициент стока, модуль стока, водный баланс и др. Строятся гидрологические и гидрогеологические карты, микроклиматические базы данных и др.

5.   Структурные условия карстовых массивов.

6.   Геоструктурная позиция закарстованных территорий определяет формирование гидрогеологических бассейнов и массивов карстовых вод[5], их границы, поверхностные и подземные водосборы, гидрогеологическую зональность и скорости фильтрации карстовых вод.

7.   Режим карстовых вод.

8.   Разгрузка карстовых вод: переток в соседние водоносные системы, карстовые источники, субмаринная и русловая разгрузка.

9.   Минерализация карстовых вод.

10.Химический состав и карбонатная емкость для известнякового карста.

11.pH и минерализация воды.

12.Наличие примесей, изменяющих растворяющую способность вод и др.

Результатом карстового процесса являются поверхностные и подземные карстовые формы:

·  Распространение;

·  Морфология;

·  Генезис;

·  Отложения;

·  Палеогеография;

·  Археология и

·  Использование карстовых форм слагают базу данных карстовых явлений.

Далее создаются карты распространения и плотности поверхностных и подземных форм и приводятся описания, планы и разрезы карстовых полостей.

При создании тематического блока ГИС, кроме основного, важно рационально построить и сопутствующий набор баз данных. В каждом конкретном случае, в зависимости от природных условий территории, антропогенной нагрузки и характера хозяйственного освоения, а также целей и задач создаваемой «ГИС-Карст», перечень сопутствующих баз может изменяться в достаточно большом диапазоне.

Рассмотрим особенности баз данных ГИС. База данных – это совокупность сведений, которая описывает некоторую систему. При их создании следует учитывать методы, благодаря которым база будет выводиться для просмотра и редактирования. Желательно реализовать функции, которые будут производить сортировку данных, их выборку, переход между полями и записями, сохранение внесенных изменений. Наконец, следует выбирать формат базы данных, исходя из конкретно поставленной задачи.

Программирование графики для ГИС-приложения – едва ли не самый сложный момент. Создание электронно-цифрового образа географической карты требует чрезвычайно высокой точности. Конечно, карту можно просто отсканировать и вставить в программу, но в этом случае теряется сам смысл информационной системы. ГИС, как правило, создается для удобства проведения дальнейших исследований. Поэтому создатель системы должен реализовать как можно больше возможностей для анализа графической информации. Предполагается, что должна быть использована многослойность в представлении карт, то есть наложение географических карт друг на друга. Должны быть реализованы возможности для построения новых синтетических карт, исходя из результатов послойного анализа. Например, после наложения таких слоев, как слой вновь образованных карстовых форм и слой всех известных карстовых форм, желательно, чтобы система могла построить карту активности карстового процесса в целом.

Внедрение ГИС в производство протекает в нашей стране довольно медленно. Но, принимая во внимание зарубежный опыт в создании геоинформационных систем, следует отметить, что управление регионов с помощью ГИС позволяет экономить гораздо большие средства и значительно повышает оперативность принимаемых решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:

К определению карста существуют три подхода: с точки зрения геоморфологического явления, полигенетического процесса и как совокупность этих процессов и явлений.

К основным карстующимся породам относятся:

·  известняки;

·  мергели;

·  меловые породы;

·  доломиты;

·  гипсы;

·  ангидриты;

·  соленосные толщи;

·  конгломераты.

Существуют три основные условия развития карста: наличие растворимой горной породы; наличие растворителя; наличие условий, обеспечивающих водообмен.

Выделяют поверхностные и подземные карстовые формы. К поверхностным карстовым формам относятся карры, желоба и рвы, воронки, блюдца и западины, котловины, полья, останцы. К подземным – карстовые колодцы и шахты, пропасти, пещеры.

Карстовые процессы уменьшают устойчивость геологической среды. Для наблюдения за карстовыми процессами используются методы гравиразведки, магниторазведки, электромагнитного профилирования, электромагнитного зондирования, сейсморазведки. С помощью скважинных геофизических исследований изучаются физические свойства горных пород вокруг скважин и между скважинами, определяются скорости движения и фильтрации подземных вод. Применение не менее двух методов, например одного электроразведочного и одного сейсмического, может дать более достоверное решение поставленных задач.

В последние годы для изучения и контроля карстовых процессов создаются геоинформационные системы (ГИС).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Гвоздецкий Н.А. Карст. М.: 1981.

2.         Гвоздецкий Н.А. Вопросы общего карстововедения. М. 1950

3.         Гвоздецкий Н.А. Карстовые ландшафты. М. 1979.

4.         Гвоздецкий Н.А. Проблемы изучения карста и практика. М. 1972

5.         Дублянская Г.Н., Дублянский В.Н. Теоретические основы изучения парагенезиса карст-подтопление. Пермь: ПГУ, 1998.

6.   Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З. Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. – Наука, 1984.

7.   Дублянский В.Н., Клименко В.И., Михайлов А.Н. Ведущие факторы развития карста и балльная оценка его интенсивности// Инженерная геология, №2–1990.

8.   Максимович Г.А. Основы карстоведения. Пермь: Наука, 1963.

9.   Соколов Д.С. Основные условия развития карста. – М.: Госгеолтехиздат, 1962.

[1] Гвоздецкий Н.А. Карст. М.: 1981, стр. 10.

[2] Соколов Д.С. Основные условия развития карста. - М.: Госгеолтехиздат, 1962. Стр. 231.

[3] Максимович Г.А. Основы карстоведения. Пермь: Наука, 1963.

[4] Соколов Д.С. Основные условия развития карста. - М.: Госгеолтехиздат, 1962. Стр. 269.

[5] Дублянский В.Н., Кикнадзе Т.З. Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. – Наука, 1984. Стр. 255.