Карст. 
Інженерна геологія

Умови утворення і розвитку карсту, заходи боротьби з ним

Найчіткіше означення карсту дав академік Ф. П. Саваренський: «Під карстом розуміють явища, пов`язані з діяльністю підземних вод, що виражається у вилуговуванні розчиниих гірських порід (вапняків, доломітів, гіпсів) і утворенні пустот (каналів, печер) у породах, які часто супроводжуються провалами і осіданнями покрівлі і утворенням лійок, озер та інших западин на земній поверхні». Інколи вилуговування порід супроводжується механічним винесенням частинок породи.

Карст широко розповсюджений в Криму, на Кавказі, в Середній Азії, на Алтаї, Уралі, в Сибіру, на території Російської рівнини, на узбережжі Адріатики, в Греції і т.д. Розвиток карсту є несприятливою умовою під час будівельного і сільськогосподарського освоєння територій чи експлуатації родовищ корисних копалин. Наприклад, в Андалузії (Іспанія) була побудована гребля висотою 72 м у місці розвитку тріщинуватих і закарстованих юрських вапняків. Коли стали заповнювати водосховище водою, то виявили, що майже вся вода витікає по тріщинах і карстових каналах в долину річки, розташовану нижче від греблі.

Виникати і розвиватися карст може тільки при поєднанні певних природних умов. Таке поєднання визначається одночасною наявністю: 1) породи, яка відносно легко розчиняється у воді, 2) проникності цієї породи, 3) води, яка рухається у породі і 4) розчинною здатністю води. Розглянемо детальніше кожний із факторів, що обумовлюють утворення карсту.

За ступенем розчинності можна виділити наступні основні групи порід: а) карбонати (вапняки, доломіти); б) гіпси та ангідрити; в) галоліти (хлористі і сірнокислі солі натрію, калію і магнію). Розчинність найголовніших сполук залежить від будови кристалічної гратки, розмірів кристалів, наявності домішок. Дрібніші зерна розчиняються швидше у порівнянні з великими. Водні розчини у породі можуть бути недонасиченими по відношенню до дрібних зерен, насиченими щодо зерен середніх розмірів і перенасиченими стосовно великих. В результаті в один і той же час дрібні зерна можуть розчинятися, а великі рости. Це є причиною значної нерівномірності й примхливості розподілу в карбонатних породах каверн і пор розчинення.

Розчинність порід залежить і від домішок. Розрізняють два види домішок: більш важкорозчинні у порівнянні з даною сіллю та більш легкорозчинні. Перші гальмують процес розчинення внаслідок того, що вони в процесі самого розчинення вкривають поверхню кристалу колоїдною плівкою, яка перешкоджає розчиненню солі. До таких домішок належать глинисті частки і розсіяні бітумінозні речовини. Більш легкорозчинні домішки, наприклад, кам`яна сіль або гіпс, що містяться у породах, переходячи у розчин, у значній мірі впливають на розчинну здатність природних вод.

Розчинна здатність води залежить від температури, тиску, наявності в природних водах вуглекислоти, наявності у водних розчинах солей та ін. Вплив температури на розчинність солей у дистильованій воді порівняно невеликий. Причому, розчинність кам`яної солі й кальциту підвищується з ростом температури від 0 до 100⁰С, а ангідриту і гіпсу підвищується лише приблизно до 35⁰, а при більш високих температурах знижується.

Утворення карсту залежить від водопроникності гірських порід. Проникаючи в гірські породи по порах і тріщинах, рухаючись по них, інколи вкрай повільно, вода може розчиняти породи і тим самим збільшувати їх пористість, що в свою чергу призводить до посилення водообміну. Однак рух води по пустотах і вилуговування порід не завжди веде до збільшення розміру пустот. Наприклад, при вилуговуванні вапняків, що містять глинисті частки, останні можуть закупорювати тріщини і карстові порожнини і тим самим сприяти зменшенню фільтрації води і затуханню карстового процесу.

Чим більшою є тріщинуватість гірських порід, тим кращі умови створюються для виникнення карстових явищ. Зв`язок карстових проявів із тріщинуватістю порід підтверджується витягнутістю «ланцюжків» карстових лійок вздовж переважних систем тріщинуватості, приуроченістю карстових печер і порожнин до великих тріщин. Одна із основних умов розвитку карсту — водообмін. Умови руху підземних вод та інтенсивність водообміну змінюються по вертикалі. В областях з потужними розчинними породами можна виділити чотири вертикальні зони, відмінні одна від одної за умовами руху підземних вод і, відповідно, за умовами розвитку карсту:

І - зона аерації, де має місце переважно вертикальна фільтрація, що призводить до формування вертикальних карстових каналів;

ІІ - зона сезонного коливання рівні підземних вод; тут у періоди підйому рівня вода фільтрується в горизонтальному, а в період його спадання — у вертикальному напрямку (розвиваються вертикальні і горизонтальні порожнини в розчинній породі);

ІІІ - зона повного насичення, яка перебуває у сфері дренувального впливу гідрографічної сітки (карст розвивається у дні річкових долин і в берегах);

ІV — зона глибинної циркуляції, де рух води відбувається поза безпосереднім дренуючим впливом гідрографічної сітки і обумовлений тектонічною структурою та окремими осередками розвантаження. Вилуговування порід у цій зоні відбувається повільно.

Розчинна здатність підземних вод зменшується з глибиною, тому що з глибиною збільшується насичення води різними сполуками, які інколи перешкоджають розчиненню. З глибиною затухають біохімічні процеси, в результаті дії яких утворюється вуглекислота, що сприяє розчиненню.

За віком карст можна розділити на: а) сучасний, або активний, що розвивається вище від сучасного рівня корозії; б) древній, або пасивний, розвинений нижче сучасного рівня корозії. Древній карст може бути похованим, коли поверхня закарстованих порід перекрита (похована) більш пізніми відкладами. Карст перестає розвиватися після припинення надходження води в карстові порожнини (наприклад, внаслідок заповнення карстових порожнин печерною глиною).

На утворення карсту впливають також і геоморфологічні умови. Наприклад, поблизу крутих ерозійних і абразійних схилів створюються сприятливі умови для водообміну, тому що на цих ділянках тектонічні тріщини бувають розширеними за рахунок вивітрювання, утворення зсувів, осідання порід тощо. Дуже впливає на розвиток карсту клімат, бо від нього залежать кількість, характер і розподіл сезонних опадів, характер і інтенсивність процесів вивітрювання, температурний режим у верхніх частинах земної кори.

Найважливішими особливостями областей розповсюдження закарстованих порід є:

інтенсивне поглинання поверхневих вод;

підвищена водозбагаченість закарстованих порід;

нерівномірна водопроникність;

наявність локальних, стійких у часі поздовжніх прирічних депресій рівня підземних вод.

Головними інженерно-геологічними умовами карстових районів є такі:

осушення ряду карстових областей (проблеми для сільського господарства);

інтенсивне поповнення підземних вод за рахунок поверхневого стоку;

природний глибокий дренаж ряду родовищ корисних копалин;

можливість підвищених витоків води з каналів і водосховищ, як через їх борти і дно, так і в обхід гребель;

посилене живлення річок за рахунок тріщинно-карстових вод;

збагачене обводнення тріщинно-карстовими водами будівельних котлованів, тунелів, шахт.

Для боротьби з карстом можна застосовувати наступні заходи.

• 1. Припинення доступу поверхневих і підземних вод до порід, які карстуються, шляхом регулювання поверхневого стоку і влаштування дренажів.
• 2. Штучне обрушення покрівлі карстових пустот і заповнення їх глинистими породами. До цього вдаються при будівництві залізниць і шосейних доріг, трубопроводів і т.д.
• 3. Цементація порід основ споруд; при цьому через бурові свердловини у тріщини і карстові порожнини нагнітається цемент. Так створюється підземний водонепроникний бар`єр і одночасно породи зміцнюються.
• 4. Бітумізація порід основи з метою створення підземного водонепроникного бар`єру.
• 5. Осушення ділянок за допомогою відкачувань води насосами, зануреними у пробурені навкруги ділянок свердловини; застосовується при проходці експлуатаційних і дослідних шахт, шурфів і т.п.

Інколи, через ускладнення і дорожнечу боротьби з карстовими явищами, доводиться переносити споруди з закарстованих ділянок на ділянки з більш сприятливими інженерно-геологічними умовами.

Запитання для самоконтролю.

• 1. Наведіть означення явища карсту за Ф. П. Саваренським.
• 2. За яких умов у гірських породах розвивається карст?
• 3. Як поділяються гірські породи за ступенем розчинності?
• 4. Від чого залежить розчинність гірських порід?
• 5. Поясніть схему зональності карсту за глибиною.
• 6. Якими методами можна протидіяти карстовому процесу?